CC BY
11
Бородулин Д>.М. ВестникФТУИТ, 2022, Т. 84, №. 1, С'. 24-28
Одним из основных технологических параметров в молочном производстве является температура, в связи с этим важной задачей автоматизации молочных производств является ее контроль и регулирование на различных участках технологических линий.
Материалы и методы
Таблица 1.
Требования к системам автоматического регулирования (САР)
Table 1.
Requirements for automated control systems (ACS)
Параметр Parameter Значение Value Допустимые значения прямых показателей качества регулирования Permissible values of direct regulation metrics
Yct УдиИ t P V
Температура молока на выходе из секции охлаждения, °С Milk temperature at the outlet from the cooling 54 ±1 ±4 5 мин 0,75
Информационная схема технологического объекта управления (ТОУ) представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Информационная схема ТОУ
Figure 1. Schematic flow diagram for milk temperature control
На рисунке 1 приняты обозначения: регулируемый параметр ТМ - температура молока на выходе секции охлаждения, °С; U - положение регулирующего клапана на трубопроводе холодной воды, % х.р.о.; ТХ - температура холодной воды, °С; Рх. воды - давление холодной воды, МПа; Токр. ср. - температура окружающего воздуха, °С; Тм. исх. - исходная температура молока, °С; Рм. исх. - расход молока исходного, м3/ч.
Результаты
Для описания управляющего канала выбрана передаточной функцией апериодического звена второго порядка с запаздыванием [3,11] (1):
W ( 5 ) =
„-■с s
(T s+1)(T s+1)
(1)
где ко - коэффициент усиления, °С/%х.р.о.; Т3, Т4 - постоянные времени объекта, мин; t - время запаздывания, мин. [12]
Параметры передаточной функции приведены в таблице 2.
Таблица 2. Параметры передаточной функции по управляющему каналу
Table 2.
Transfer function parameters for control channel
ко, °С/%х.р.о. Т3, мин Тз, min Т4, мин Т4, min т, мин т, min
-0,7 0,69 0,73 0,52
В результате анализа штатной эксплуатации технологического объекта управления установлено:
• температура холодной воды меняется в пределах 10-15 °С, коэффициент передачи данного канала кТхол.воды = 1,5 °С / °С;
• температура исходного молока меняется в пределах 88-92 °С, коэффициент передачи данного канала кТисх. мол. = 1,8 °С / °С;
• температура окружающего воздуха меняется в пределах 15-35 °С, коэффициент передачи данного канала кТокр.возд = 0,5 °С / °С;
• давление холодной воды изменяется в пределах 4-6 МПа, коэффициент передачи данного канала кРхол. воды = 0,4 °С / МПа;
• расход исходного молока меняется в пределах 18-22 м3/ч, коэффициент передачи данного канала кРисх. мол. = 2 °С / м3 / ч;
Диапазоны изменения возмущающих воздействий: ДТ.хол. воды. = 15-10 = 5 °С; ДТ.исх. мол. = 92-88 = 4 °С; ДТ.окр. возд. = 35-15 = 20 °С; ДР.хол. воды. = 6-4 =2 Мпа; ДКисх. мол. = 22-18 = 4 МПа.
Максимальное возмущающее воздействие 8,8 % х.р.о.
Расчет одноконтурной САР температуры молока на выходе из секции охлаждения выполнена в программе IPC-CAD. Исходные данные для расчета приведены в таблице 2. Результаты расчета показателей настройки регулятора и качества регулирования приведены в таблице 3 [13].
BoroduCin D.M Proceedings ofVSUET, 2022, vol. 84, no. 1, pp. 24-28 [email protected]
Таблица 3.
Результаты расчета системы автоматического регулирования
Table 3.
Automated control system engineering
Вид переходного процесса Type of transition Параметры регулятора Controller parameters Показатели качества Quality indices Показатели качества при грубости Quality indices for roughness
к р Тиз Тпр Уд ¥ ' р Уд ¥ tp
ПИД PID control Апериодический Aperiodic 2,279 1,217 0,304 0,302 0,99 4,03 0,376 0,97 3,3
С умерен. Затуханием Medium attenuation 2,84 1,13 0,28 0,28 0,99 3,18 0,35 0,86 5,99
Колебательный Wave 3,954 1,234 0,309 0,257 0,76 5,14 0,329 0,29 -
В таблице 3 обозначены: кр - коэффициент усиления регулятора, %x.р.о. / %шк. у; Тиз - время изодрома, мин; Тпр - время предварения, мин; уд - динамическая ошибка, %шк. у; у - степень затухания; 1 р - время регулирования, мин [11].
Как видно из таблицы, переходные процессы «апериодический» и «с умеренным затуханием» обладают достаточным запасом устойчивости, так как степень затухания больше 0,75. Динамические ошибки в режимах настройки и проверки на грубость указанных процессов различаются на 0,02, то есть различия незначительны [14].
Запас устойчивости «апериодического» процесса выше, а динамическая ошибка несущественно превышает остальные варианты, поэтому для дальнейшего применения выбран именно этот вид переходного процесса.
График переходных процессов для данных настроек показан на рисунке 2.
Рисунок 2. Графики переходных процессов в замкнутой САР для ПИД-регулятора «апериодический» (-) и при проверке на грубость (...)
Figure 2. Transient graphs in a closed automatic control system for "aperiodic" PID controller (-) and test for roughness (. )
Допустимые пределы показателей регулирования взяты из норм технологического регламента и технического задания на разработку математического обеспечения.
Из графика на рисунке 2 определяем прямые качественные показатели:
• динамическая ошибка уд = 2,6 °С
< уд = 4 °С;
• динамическая ошибка при «проверке на грубость» уд = 3,3 °С < уд = 4 °С;
• время регулирования - tрн = 3 мин
< tр = 5 мин;
• время регулирования при «проверке на грубость» tргр = 2,8 мин < tрп = 5 мин.
Обсуждение
Из приведенных выше результатов расчета и анализа САР следует, что она является устойчивой, робостной и полностью соответствует техническому заданию по показателям качества регулирования [15].
Из этого можно сделать вывод, что применение данной одноконтурной САР является целесообразным
Передаточная функция регулятора будет выглядеть следующим образом:
W (P ) = Kp
(
1 +
+Tns AS T AS п
\
(2)
= 2,279x7 AS+0.3041AS
Заключение
Разработанное математическое обеспечение процесса регулирования температуры молока на выходе из секции охлаждения показало полное соответствие техническому заданию. САР построенная на основе проведенных изысканий показала высокую надежность, устойчивость, достаточное время регулирования. Таким образом применение САР на основе разработанного математического обеспечения является целесообразным и эффективным, так как позволит сократить брак и повысить качество выпускаемой продукции за счет своевременного качественного регулирования основного технологического параметра - температуры молочного сырья [16-20].
Бородулин Д>.М. ВестникФТУИТ, 2022, Т. 84, №. 1, С'. 24-28
Литература
1 Славянский А.А., Семенов Е.В., Алексеев А.А., Антипов С.Т. Математическое моделирование процесса центробежного промывания осадка паром (на примере сахарного производства) // Вестник ВГУИТ. 2019, Т. 81. № 1. С. 82-87. doi: 10.20914/2310-1202-2019-1-82-87
2 Русанов В.В., Перов В.И., Самойлов М.А. Автоматизация предприятий общественного питания с использованием современных цифровых технологий: программ Arduino IDE, OPC Modbus и Master Scada // Вестник ВГУИТ. 2018. Т. 80. № 2. С. 38-44. doi: 10.20914/2310-1202-2018-2-38-44
3 Бабенко М.С. Разработка способа ИК пастеризации молока и комплексная оценка качества полученного продукта //ВестникВГУИТ. №. 4. С. 130-134. doi: 10.20914/2310-1202-2013-4-130-134
4 Антипов С.Т., Жучков А.В., Овсянников В.Ю., Бабенко М.С. Математическое моделирование процесса инфракрасной пастеризации молока//Вестник ВГУИТ. №. 4. С. 67-72. doi: 10.20914/2310-1202-2013-4-67-72
5 Sipka S., Beres A., Bertok L., Varga T. et al. Comparison of endotoxin levels in cow's milk samples derived from farms and shops//Innate Immunity. 2015. V. 21. №. 5. P. 531-536. doi: 10.1177/1753425914557100
Indumathy M., Sobana S., Panda R.C. Modelling of fouling in a plate heat exchanger with high temperature pasteurisation process // Applied Thermal Engineering. 2021. V. 189. P. 116674. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116674
Попов А.М. Плотников К.Б., Иванов П.П. и др. Моделирование мехатронных систем производства инстантированных напитков с добавлением амарантовой муки // Техника и технология пищевых производств. 2020. Т. 50. № 2. С. 273-281. doi: 10.21603/2074-9414-2020-2-273-281
8 Харитонов В.Д., Бородулин Д.М., Сухоруков Д.В., Комаров С.С. Моделирование смесительного агрегата центробежного типа на основе кибернетического подхода // Молочная промышленность. 2013. № 7. С. 77-79.
9 Бородулин Д.М. Разработка и математическое моделирование непрерывно-действующих смесительных агрегатов центробежного типа для переработки сыпучих материалов. Обобщенная теория и анализ (кибернетический подход). Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет), 2013. 201 с.
10 Новосельцева М.А., Гутова С.Г., Каган Е.С. и др. Структурно-параметрическая идентификация модели процесса получения экстракта хмеля на роторно-пульсационной машине // Журнал пищевой промышленности и консервирования. 2020. Т. 44. № 7. С. 14546. doi: 10.1111/jfpp. 14546
1 ] Жолдасбаев Е.Б. Расчет и анализ системы автоматического регулирования температуры растительного масла на выходе теплообменника // Холодильная техника и биотехнологии. 2019. С. 140-142.
12 Дмитриева Н. Сборник задач по теории автоматического управления. Линейные системы. Litres, 2018.
Приянка М.П.С., Субрамани П. Исследование схемы нагрева при тепловой обработке молока омическим нагревом // J Фармакогн. Фитохим. 2018. № 7. № 2. С. 3033-3036.
Аль-Хилфи А. Р., Абдулстар А. Р., Гавахян М. Пастеризация молока в непрерывном потоке в умеренном электрическом поле: влияние параметров процесса, энергопотребления и определения срока годности // Инновационная наука о продуктах питания и новые технологии. 2021. Т. 67. С. 102568.
Арья П. Новая техника в пищевой промышленности: Свет высокой интенсивности, Импульсное электрическое поле и инфракрасное излучение. 2020.
Килик-Акылмаз М. и др. Влияние термической обработки на микроэлементы, жирные кислоты и некоторые биологически активные компоненты молока // Международный молочный журнал. 2022. Т. 126. С. 105231.
17 Niamsuwan S., Kittisupakorn P., Mujtaba I.M. Control of milk pasteurization process using model predictive approach // Computers & Chemical Engineering. 2014. V. 66. P. 2-11. doi: 10.1016/j.compchemeng.2014.01.018
18 Kayalvizhi M., Manamalli D., Bhuvanithaa K. Cascade control of HTST milk pasteurization process with and without pre-cooling stage // 2017 International Conference on Energy, Communication, Data Analytics and Soft Computing (ICECDS). IEEE, 2017. P. 1807-1812. doi: 10.1109/ICECDS.2017.8389760
19 Nguyen V., Rimaux T., Truong V., Dewettinck K. et al. The effect of cooling on crystallization and physico-chemical properties of puff pastry shortening made of palm oil and anhydrous milk fat blends // Journal of Food Engineering. 2021. V. 291. P. 110245. doi: "l0.1016/j.jfoodeng.2020.110245
Perano K.M., Usack J.G., Angenent L.T., Gebremedhin K.G. Production and physiological responses of heat-stressed lactating dairy cattle to conductive cooling // Journal of Dairy Science. 2015. V. 98. №. 8. P. 5252-5261. doi: 10.3168/jds.2014-8784
References
1 Slavyansky A.A., Semenov E.V., Alekseev A.A., Antipov S.T. Mathematical modeling of the process of centrifugal washing of sludge with steam (on the example of sugar production). Proceedings of VSUET. 2019. vol. 81. no. 1. pp. 82-87. doi: 10.20914/2310-1202-2019-1-82-87 (in Russian).
2 Rusanov V.V., Perov V.I., Samoilov M.A. Automation of catering establishments using modern digital technologies: Arduino IDE, OPC Modbus and Master Scada programs. Proceedings of VSUET. 2018. vol. 80. no. 2. pp. 38-44. doi: 10.20914/2310-1202-2018-2-38-44 (in Russian).
3 Babenko M.S. Development of a method for IR pasteurization of milk and a comprehensive assessment of the quality of the resulting product. Proceedings of VSUET. no. 4. pp. 130-134. doi: 10.20914/2310-1202-2013-4-130-134 (in Russian).
4 Antipov S.T., Zhuchkov A.V., Ovsyannikov V.Yu., Babenko M.S. Mathematical modeling of the process of infrared pasteurization of milk. Proceedings of VSUET. no. 4. pp. 67-72. doi: 10.20914/2310-1202-2013-4-67-72 (in Russian).
5 Sipka S., Beres A., Bertok L., Varga T. et al. Comparison of endotoxin levels in cow's milk samples derived from farms and shops. Innate Immunity. 2015. vol. 21. no. 5. pp. 531-536. doi:10.1177/1753425914557100
6 Indumathy M., Sobana S., Panda R.C. Modeling of fouling in a plate heat exchanger with high temperature pasteurization process. Applied Thermal Engineering. 2021. vol. 189. pp. 116674. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116674
BoroduCin D>M. Proceedings ofVSUET, 2022, voC. 84, no. 1, pp. 24-28
7 Popov A.M. Plotnikov K.B., Ivanov P.P. Modeling of mechatronic systems for the production of instant drinks with the addition of amaranth flour. 2020. vol. 50. no. 2. pp. 273-281. doi: 10.21603/2074-9414-2020-2-273-281 (in Russian).
8 Kharitonov V.D., Borodulin D.M., Sukhorukov D.V., Komarov S.S. Modeling of a centrifugal type mixing unit based on a cybernetic approach. Dairy industry. 2013. no. 7. pp. 77-79. (in Russian).
9 Borodulin D.M. Development and mathematical modeling of continuously operating centrifugal mixing units for processing bulk materials. Generalized theory and analysis (cybernetic approach). Kemerovo Technological Institute of Food Industry (University), 2013. 201 p. (in Russian).
10 Novoseltseva M.A., Gutova S.G., Kagan E.S. et al. Structural-parametric identification of the model of the process of obtaining hop extract on a rotary-pulsation machine. Journal of Food Industry and Canning. 2020. vol. 44. no. 7. pp. 14546. doi: 10.1111/jfpp. 14546 (in Russian).
11 Zholdasbaev E.B. Calculation and analysis of the system for automatic control of the temperature of vegetable oil at the outlet of the heat exchanger. Kholodilnaya tekhnika i biotekhnologii. 2019. pp. 140-142. (in Russian).
12 Dmitrieva N. Collection of tasks on the theory of automatic control. Linear systems. Letters, 2018. (in Russian).
13 Priyanka M.P.S., Subramani P. Investigation of the heating scheme in the heat treatment of milk by ohmic heating. J Pharmacogn. Phytochem. 2018. no. 7. no. 2. pp. 3033-3036. (in Russian).
14 Al-Khilfi A. R., Abdulstar A. R., Gavakhyan M. Pasteurization of milk in a continuous flow in a moderate electric field: the influence of process parameters, energy consumption and determining the shelf life. Innovative science of food products and new technologies. 2021. vol. 67. pp. 102568. (in Russian).
15 Arya P. New technology in the food industry: High intensity light, pulsed electric field and infrared radiation. 2020. (in Russian).
16 Kilik-Akylmaz M. et al. Influence of heat treatment on trace elements, fatty acids and some biologically active components of milk. International Dairy Journal. 2022. vol. 126. pp. 105231. (in Russian).
17 Niamsuwan S., Kittisupakorn P., Mujtaba I.M. Control of milk pasteurization process using model predictive approach. Computers & Chemical Engineering. 2014. vol. 66. pp. 2-11. doi: 10.1016/j.compchemeng.2014.01.018
18 Kayalvizhi M., Manamalli D., Bhuvanithaa K. Cascade control of HTST milk pasteurization process with and without pre-cooling stage. 2017 International Conference on Energy, Communication, Data Analytics and Soft Computing (ICECDS). IEEE, 2017. pp. 1807-1812. doi:10.1109/ICECDS.2017.8389760
19 Nguyen V., Rimaux T., Truong V., Dewettinck K. et al. The effect of cooling on crystallization and physico-chemical properties of puff pastry shortening made of palm oil and anhydrous milk fat blends. Journal of Food Engineering. 2021. vol. 291. pp. 110245. doi: 10.1016/j.jfoodeng.2020.110245
20 Perano K.M., Usack J.G., Angenent L.T., Gebremedhin K.G. Production and physiological responses of heat-stressed lactating dairy cattle to conductive cooling. Journal of Dairy Science. 2015. vol. 98. no. 8. pp. 5252-5261. doi:10.3168/jds.2014-8784
Сведения об авторах Information about authors
Дмитрий М. Бородулин д.т.н., кафедра инженерного дизайна, Dmitriy M. Borodulin Dr. Sci. (Engin.), engineering design
Кемеровский государственный университет, ул. Красная, 6, department, Kemerovo State University, Krasnaya str., 6,
г. Кемерово, 650000, Россия, [email protected] Kemerovo, 650000, Russia, [email protected]
https://orcid.org/0000-0003-3035-0354 https://orcid.org/0000-0003-3035-0354
Вклад авторов Contribution
Дмитрий М. Бородулин написал рукопись, корректировал Dmitriy M. Borodulin wrote the manuscript, correct it before её до подачи в редакцию и несет ответственность за плагиат filing in editing and is responsible for plagiarism
Конфликт интересов Conflict of interest
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. The authors declare no conflict of interest.
Поступила 26/12/2021 После редакции 20/01/2022 Принята в печать 08/02/2022
Received 26/12/2021 Accepted in revised 20/01/2022 Accepted 08/02/2022
ВестникЬТУИШ/Proceedings of VSUET ISSN 2226-910X E-ISSN 2310-1202
_Пищевая биотехнология_
Food biotechnology
DOI: http://doi.org/10.20914/2310-1202-2022-1-29-34
Оригинальная статья/Research article
УДК 640
Open Access Available online at vestnik-vsuet.ru
Условия формирования устойчивых пробиотических эмульсий масла _зародышей пшеницы_
Наталья С. Родионова Евгений С. Попов Наталья А. Захарова Вадим С. Захаров Дмитрий М. Выродов Александр Л. Родионов
pastukhova_na@mail .ru
0000-0002-6940-7998 0000-0003-3303-3434 0000-0002-8127-6986 0000-0003-2389-9250 0000-0001-5335-3844 0000-0002-8773-7886
1 Воронежский государственный университет инженерных технологий, пр-т Революции, 19, г. Воронеж, 394036, Россия Аннотация. Представлены результаты формирования эмульсий биологически активной добавки - масла зародышей пшеницы в обезжиренной кисломолочной среде, ферментированной консорциумом пробиотических микроорганизмов B. bifidum, B. longum, B. adolescentis, L. casei, L. rhamnosus, L. acidophilus, L. plantarum, L. fermentum. Дисперсионная среда содержала не менее 109 КОЕ в 1 г, рН составляла 3,65-3,75, титруемая кислотность 120-130оТ. Показана возможность получения устойчивых эмульсий с концентрацией масла зародышей пшеницы до 50%. Установлено увеличение емкости и устойчивости эмульсий в 1,1-5,9, 1,3-10,6, 1,5-4,0, 1,7-4,7, 1,3-9,7, 1,2-5,1 при введении в дисперсионную среду от 0,5 до 3,5 % яичного белка, ксантановой камеди, яичного порошка, лецитина, гуаровой камеди, сухого обезжиренного молока соответственно. Установлено влияние скорости вращения рабочего органа эмульгатора в диапазоне 1000-3000 об/мин на эмульгирующую способность дисперсионной среды и седиментационную устойчивость эмульсий. Получена аппроксимирующая зависимость эмульгирующей способности от концентрации эмульгатора, учитывающая линейное, квадратичное и кубическое влияние фактора. Полученные результаты дают научное обоснование процесса получения биологически высокоактивных пробиотических эмульсий на основе масла зародышей пшеницы для алиментарной коррекции метаболических процессов организма человека. Высокую эмульгирующую способность и седиментационную устойчивость обеспечивает дополнительное введение эмульгирующих веществ в ферментированную дисперсионную среду. Полученные эмульсии имели высокие органолептические свойства, обладают более выраженным биокорректирующим эффектом в отношении
ряда важнейших функций организма, благодаря комбинированию в составе МЗП с лакто- и бифидобактериями._
Ключевые слова: пробиотики, эмульсия, масло, зародыши пшеницы, биокорректоры, эмульгаторы
Conditions for the formation of stable probiotic emulsions of wheat germ oil
Natalya S. Rodionova Evgeny S. Popov Natalya A. Zakharova Vadim S. Zakharov Dmitry M. Vyrodov Alexander L. Rodionov
zakharov_vs@bk. ru
0000-0002-6940-7998 0000-0003-3303-3434 0000-0002-8127-6986 0000-0003-2389-9250 0000-0001-5335-3844 0000-0002-8773-7886
1 Voronezh State University of Engineering Technologies, Revolution Av., 19 Voronezh, 394036, Russia
Abstract. The results of the formation of emulsions of a biologically active additive - wheat germ oil in a defatted fermented milk medium fermented by a consortium of probiotic microorganisms B. bifidum, B. longum, B. adolescentis, L. casei, L. rhamnosus, L. acidophilus, L. plantarum, L. fermentum. The dispersion medium contained at least 109 CFU in 1 g, the pH was 3.65-4.75, the titratable acidity was 120-130oT. The possibility of obtaining stable emulsions with a concentration of wheat germ oil up to 50% is shown. An increase in the capacity and stability of emulsions was established in 1.1-5.9, 1.3-10.6, 1.5-4.0, 1.7-4.7, 1.3-9.7, 1.2 -5.1 when introduced into the dispersion medium 0.5-3.5% of egg white, xanthan gum, egg powder, lecithin, guar gum, skimmed milk powder, respectively. The effect of the speed of rotation of the working body of the emulsifier in the range of 1000-3000 rpm on the emulsifying ability of the dispersion medium and the sedimentation stability of emulsions has been established. An approximating dependence of the emulsifying ability on the concentration of the emulsifier was obtained, taking into account the linear, quadratic and cubic influence of the factor. The results obtained provide a scientific basis for the process of obtaining biologically highly active probiotic emulsions based on wheat germ oil for the alimentary correction of metabolic processes in the human body. High emulsifying ability and sedimentation stability are ensured by the additional introduction of emulsifying substances into the fermented dispersion medium. The resulting emulsions had high organoleptic properties, have a more pronounced biocorrective effect on a number of important body
functions, due to the combination of MZP with lacto- and bifidobacteria._
Keywords: probiotics, emulsion, oil, wheat germ, biocorrectors, emulsifiers
Введение
Биокорректирующие, профилактические, терапевтические свойства масла зародышей пшеницы известны и подтверждены рядом клинических исследований. Отечественными и зарубежными медиками опубликованы материалы,
Для цитирования
Родионова Н.С., Попов Е.С., Захарова Н.А., Захаров В.С., Выродов Д.М., Родионов А.Л. Условия формирования устойчивых пробиотических эмульсий масла зародышей пшеницы // Вестник ВГУИТ. 2022. Т. 84. № 1. С. 29-34. doi:10.20914/2310-1202-2022-1-29-34_
© 2022, Родионова Н.С. и др. / Rodionova N.S. et al.
посвященные влиянию масла зародыша пшеницы (МЗП) на количественные и качественные характеристики липидного обмена. Установлено более выраженное снижение содержания холестерина в печени и крови крыс при употреблении ими МЗП в сравнении с соевым или хлопковым
For citation
Rodionova N.S., Popov E.S., Zakharova N.A., Zakharov V.S., Vyrodov D.M., Rodionov A.L. Conditions for the formation of stable probiotic emulsions of wheat germ oil. Vestnik VGUIT [Proceedings of VSUET]. 2022. vol. 84. no. 1. pp. 29-34. (in Russian). doi:10.20914/2310-1202-2022-1-29-34 This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License
