CC BY
005.20.01 - ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА _(ТЕХНИЧЕСКИЕ НА УКИ)_
DOI 10.53980/24131997_2022_2_22
Г.В. Алексеев, д-р техн. наук, проф., e-mail: [email protected] Государственный институт экономики, финансов, права и технологий, г. Гатчина И.Ж. Искаков, канд. юрид. наук, доц., e-mail: [email protected] В.Я. Кучеренко, начальник отдела, e-mail: [email protected] Е.Е. Ланина, канд. филос. наук, доц., e-mail: [email protected] Университет при Межпарламентской ассамблее ЕврАзЭС А.Г. Леу, аспирант, e-mail: [email protected] Национальный исследовательский университет ИТМО г. Санкт-Петербург
УДК 664.724
ВОЗМОЖНОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
ПРОТИВОТОЧНОГО МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЭКСТРАГИРОВАНИЯ
Отечественная пищевая промышленность в настоящее время работает в условиях обостряющегося дефицита сырьевых и энергетических ресурсов. Это обстоятельство вносит существенные сложности как в юридические нормы реализации коммерческих отношений, так и в философию отношения к используемым пищевым ресурсам на межнациональном уровне, например, в рамках Евразийской экономической комиссии. Развернувшаяся конкурентная борьба на национальных рынках требует значительного повышения качества продукции и снижения ее стоимости. Это определяет направления поиска решений в совершенствовании существующих технологий и разработке новых, позволяющих получать высококачественную продукцию при повышенных технико-экономических показателях. Развитие пищевых производств в настоящее время свидетельствует о том, что существенное расширение использования новых сельскохозяйственных культур, имеющих отличающиеся от традиционного сырья свойства, и применение их в принятых действующих технологиях производства, без дополнительной переработки вторичного сырья, приводят к значительному снижению конкурентоспособности таких производств. Целью статьи является разработка модельных представлений для экстракции при повышении эффективности переработки новых видов сельскохозяйственного сырья, поскольку для этого часто требуется существенное изменение технологии. Существующие технологические операции не всегда оказываются эффективными, а технология в целом, из-за повышенной чувствительности к качеству сырья, ведет к неоправданным потерям и затратам.
Ключевые слова: совершенствование технологий, модельные представления, схема, устройство, закономерности, противоточное многоступенчатое экстрагирование.
G.V. Alekseev, Dr. Sc. Engineering, Prof.
I. Zh. Iskakov, Cand. Sc.Law, Assoc. Prof.
V. Ya. Kucherenko, Head of Department, E. E. Lanina, Cand. Sc. Philosophy, Assoc. Prof.
A.G Leu, P.G. student
IMPROVEMENT FEASIBILITY OF THE COUNTERCURRENT MULTISTAGE EXTRACTION
The domestic food industry is now operating in a context of increasing scarcity of raw materials and energy resources. This fact introduces significant difficulties both in the legal norms of the implementation of commercial relations and in the philosophy of the relationship to used food resources at the inter-national level, for example, within the framework of the Eurasian Economic Commission. The ongoing competitive
struggle in national markets requires a significant improvement in the quality of the product and a reduction in its cost. That was the way to find solutions to improve existing technologies and to develop new ones that produced high-quality products with improved technical and economic performance. he development of the food industry today shows that the use of new crops other than traditional raw materials and their application in the existing production technologies adopted by the Russian Federation without further processing of recycled materials, leads to a significant decrease in the competitiveness of such industries. The aim of the article is to develop model representations for extraction with increasing the efficiency of processing new types of agricultural raw materials, since this often requires a significant change of technology. Existing technological operations are not always efficient and technology in general, because of the increased sensitivity to the quality of raw materials, led to unnecessary losses and costs.
Key words: technology improvement, model representations, scheme, device, regularities, counter-current multistage extraction.
Введение
Решение возникающих проблем в соответствии с известной концепцией рационального природопользования требует совершенствования подходов к рассмотрению возможностей изменения всей технологии, возможно, с существенным пересмотром условий реализации отдельных операций или применяемого оснащения. Считаем, что в рамках одного из вариантов такого подхода целесообразно уточнить представления о механизме воздействия различных факторов физико-химической природы на перерабатываемое сырье и выработать общие рекомендации по применению рациональных технологических режимов производства при использовании всех видов пищевого сырья. Как правило, совершенствование подготовки вторичного сырья к извлечению оставшихся полезных пищевых веществ основывается на изменении основных технологических параметров: влажности, температуры и времени тепловой обработки. Вместе с тем, учитывая, что вторичный сырьевой материал является сложной системой с многообразными био-физико-химическими параметрами, можно рассмотреть возможности воздействия на нее некоторыми физическими полями. По мнению некоторых специалистов, имеются предпосылки повышения эффективности подготовки вторичного пищевого сырья к переработке за счет применения, например, воздействия ультразвуковых полей. С учетом того, что целый ряд побочных продуктов от переработки фруктов и овощей может рассматриваться как источник пищевых волокон или поверхностно-активных веществ, такое воздействие открывает возможности создания безотходных или малоотходных технологий в системе пищевых производств.
Большое количество способов производства пищевых добавок связано с процессами экстракции. Они являются основными в промышленной переработке вторичного сырья и определяют эффективность работы соответствующих предприятий.
Настоящая работа посвящена оценке возможностей математического моделирования процесса экстрагирования из пищевого вторичного сырья при многоступенчатом противоточ-ном циклическом процессе экстракции. Ее особенностью является учет эффекта обратного перемешивания растворителя. Одновременно учитывается время стока растворителя из твердой фазы в зоне отсутствия орошения и влияние времени выдержки материала на эффективность последующей ступени орошения. Естественным продолжением анализа такой модели являются оценка возможностей экспериментального исследования этих вопросов и совершенствование действующих или разработка новых экстракторов, предназначенных для этих целей, в некоторых случаях при воздействии температуры [1-4].
Постановка задачи
При постановке математической задачи процесса противоточного экстрагирования будем исходить из следующих основ его осуществления. Данный процесс состоит из конечного числа ступеней, замкнутых в единое целое, системой сборных емкостей, каскадное расположение которых организует собственно противоточный процесс: слой экстрагируемого мате-
риала движется навстречу перетоку растворителя по таким сборникам (противоток). В установившемся процессе каждая ступень работает с постоянной концентрацией внешнего раствора. Эта концентрация изменяется от ступени к ступени скачкообразно.
Время нахождения на ступени является характеристикой приближения внутрипоровой концентрации мисцеллы (переменной) к внешней концентрации мисцеллы (постоянной). Наступает такой момент времени экстрагирования на ступени, когда скорость внутреннего массопереноса значительно уменьшается из-за падения разности концентраций между внутренним и наружным растворами. Необходимо дать временную экспозицию для того, чтобы экстрагент из внутренних областей частиц материала продиффундировал во внешние слои, т. е. произошел бы процесс выравнивания содержания мисцелл по объему частицы перед следующей циркуляционной ступенью. Этот процесс, как очевидно, зависит от свойств подготовленного материала и организации потоков фаз на ступени (время экстрагирования - время массоизоляции). Подобная взаимосвязь изучена недостаточно.
С учетом вышеизложенного математическое описание исследуемого процесса, аналогично приведенному, например в работе [5], является его естественным продолжением и углублением. Как и ранее, каждую ступень в многоступенчатых экстракторах рассматриваем состоящей из двух периодов: первого - когда происходит насыщение экстрагируемого материала растворителем и второго - когда отсутствует контакт с растворителем (и происходит только перераспределение экстрагента внутри частицы) - периода массоизоляции. Здесь Bi =
kR
—, диффузионное число Био, k - коэффициент массоотдачи, D - коэффициент молекулярной
диффузии, R - определяющий размер твердой частицы, в которой реализуется диффузия.
Математическая формулировка задачи заключается в решении уравнения нестационарной диффузии для частицы сырья в форме пластины (неограниченной):
дС1к(х,т) _ д2С1к(х,т)
дт =Uik дх2 (0 < х < R,T > 0)
при следующих краевых условиях для первого этапа процесса на ступени:
Сц(х,0) = ft(x) = Ci-li2<(x,Ti-li2); (fi(x) = С0 = const) дСп(0,т)
= 0;
дх
и для второго этапа:
Сц(Ът)=СмЩ+&(Сщ-Сп(т)) Ci2(x,0) = gi(x) = Cil(x,Til);
dCj2(0,r) _
дх '
dCi2(R,x) _
дх
Здесь вторая и пятая формулы определяют начальные условия, а третья и шестая - условия симметрии. В четвертой формуле записано граничное условие первого рода, а в седьмой
- граничное условие второго рода (условие массоизоляции)
Смн; + = Смн; + PiCi-l,l(Ti-l,l) = ai, где Сн. = Cl-.1(Ti-iiiy, С0 = С0 = const; - отношение взаимодействующих объемов (V
- внутрипорового и W - внешнего); Смн. - начальная концентрация извлекаемого вещества во внешнем растворе; Сн. - начальная концентрация извлекаемого вещества внутри пор, причем Сщ=Со.
Сложности решения записанной постановки математической задачи часто заставляют искать пути решения выбора оптимальных решений исследуемого процесса с помощью экспериментальных установок [6].
Для этих целей предложена одна из таких установок следующей конструкции.
Установка состоит из корпуса с входным участком и патрубка для отвода экстрагируемой смеси. При этом привод и ультразвуковой генератор возвратно-поступательных перемещений размещены на конце подающей экстрагируемую смесь магистрали. Подающая магистрали своим концом выходит внутрь колпака с цилиндрической боковой стенкой и сферическим днищем, прикрепленным к верхней крышке корпуса. Открытая часть колпака расположена ниже ультразвукового генератора, причем на уровне конца магистрали вне колпака установлена сливная воронка. Уровень входного отверстия этой воронки совпадает с верхним уровнем экстрагируемой смеси. Воронка соединена с подающей магистралью при помощи патрубка, в котором установлена заслонка, управляемая поплавковым регулятором уровня экстрагируемой смеси. Соединение патрубка с подающей магистралью расположено на участке между установленными на магистрали приводом и ультразвуковым генератором.
Конструкция экспериментальной установки поясняется рисунком 1.
7 71 В
Рисунок 1 - Принципиальная схема установки для изучения возможностей противоточного многоступенчатого экстрагирования
В ультразвуковой экстрактор входит корпус 1 с начальным участком, выполненным в виде подающей экстрагируемую смесь магистрали 2. Патрубок для отвода экстрагируемой смеси 3, привод 4 и ультразвуковой генератор возвратно-поступательных перемещений 5, размещенный на конце магистрали 2. Конец подающей магистрали расположен внутри колпака 6 с цилиндрической боковой стенкой и сферическим днищем. Это днище прикреплено к верхней крышке 7 корпуса 1. Расстояние от конца магистрали до верхней точки днища равно половине радиуса кривизны сферы, а открытая часть колпака 6 расположена ниже ультразвукового генератора 5. На уровне конца магистрали установлена сливная воронка 8, входное отверстие которой совпадает с верхним уровнем экстрагируемой смеси. В патрубке 9, соединяющем воронку 8 с подающей магистралью 2, между приводом 4 и ультразвуковым генератором 5 установлена заслонка 10. Она вместе с поплавком 11 осуществляет функцию регулирования уровня смеси в корпусе 1.
Установка работает следующим образом. Экстрагируемая смесь подается в корпус 1 через подающую магистраль 2 с помощью привода 4. Когда она достигает конца магистрали 2, то подвергается воздействию ультразвуковых колебаний от генератора 5. Вследствие такого воздействия в потоке развивается эффект кавитации. Частицы сырья, находящиеся в смеси,
при выходе из магистрали 2 под напором ударяются в сферическое днище колпака 6 и дополнительно измельчаются. После заполнения корпуса 1 экстрагируемой смесью до уровня, определяемого регулирующим поплавком 11, кавитационные эффекты происходят не только в районе конца магистрали 2, но и во всем пространстве колпака 6, способствуя диспергированию мисцеллы. Возникающие и схлопывающиеся газовые пузырьки обеспечивают более полное выделение экстрагируемого вещества, которое сливается через сливной патрубок 3. Обогащенная газами из образовавшихся пузырьков часть экстрагируемой смеси с оставшимися полезными веществами всплывает вверх. Через воронку 8, соединенную с подающей магистралью 2 патрубком 9, она подается на участок между приводом 4 и ультразвуковым генератором 5 для повторной обработки. Такая организация движения потоков повышает эффективность работы установки за счет рециркуляции и повторной обработки сырья. При превышении заданного уровня экстрагируемой смеси в корпусе 1, т. е. при повышении количества легкой, недостаточно глубоко экстрагированной фракции, поплавок 11 всплывает и обеспечивает более интенсивное поступление жидкости для повторной обработки.
При необходимости чистки корпуса от технологических отходов в магистраль 2 подается чистая вода, которая обеспечивает удаление этих отходов через воронку 8 и патрубок 9 при открытой заслонке 10 через отвод 3. Далее эти отходы транспортируются для передачи на утилизацию.
Успешное использование описанной установки предполагает необходимость идентифицирования параметров отдельных накопительных блоков с такими параметрами математической модели, как ^ = ^^ - отношение взаимодействующих объемов (V - внутрипорового и W - внешнего); Смн. - начальная концентрация извлекаемого вещества во внешнем растворе; Сн - начальная концентрация извлекаемого вещества внутри пор, причем Сн.=С0.
Обсуждение полученных результатов
Представляет интерес сравнение расчетов по приведенным выше формулам с экспериментальными данными, полученными на частицах подсолнечника при его экстрагировании в традиционном промышленном экстракторе.
На рисунке 2 приведены графики, где кривой 1 соответствуют результаты выполненных расчетов при допущении о форме экстрагируемого материала в виде бесконечной пластины, а кривой 2 - в форме частиц в виде ограниченной пластины и на кривой 3 - экспериментальные данные.
Анализ полученных данных, представленных на рисунке 2, позволяет сделать вывод о том, что численное моделирование достаточно хорошо описывает происходящие процессы при экстракции уже с 30 мин. Вместе с тем следует отметить, что с 80-й мин модель частицы в виде бесконечной пластины дает несколько более точные приближения к значениям исследуемого параметра, чем модель частицы в виде ограниченной пластины. Такая особенность численного описания процесса, по-видимому, связана с недостаточной теоретической изученностью краевых эффектов на границе пластины и экстрагента. Существенные различия в расчетных и экспериментальных значениях на начальном этапе (до 40-й мин) связаны, скорее всего, как с неустойчивостью самого процесса, так и с принятыми условиями тепломассоб-мена.
Аналогичные результаты дает и компьютерная обработка экспериментальных данных, выполненная в пакетах прикладных программ СигуеЕхБреЛ 1.32 и Mathcad.
О ч=
(ч О^
О
20
ев ев «
§ 15
К а
¡3
о «
со
3
о о ев
О
П
10
50
100 150 200
Время экстрагирования т, мин
•2 - ограниченная пластина
3 - экспериментальные данные
• 1 - бесконечная пластина
Рисунок 2 - Зависимость экстракции извлекаемого материала от времени
Выводы
При оптимальном расположении ультразвукового генератора, измельчения частиц сырья и рециркуляции экстрагируемой смеси обеспечивается высокая эффективность работы устройства с достижением увеличения массового выхода и улучшения качества экстракта. Полученные результаты позволяют провести анализ влияния пропитки части мисцеллы, взятой с промежуточной ступени противоточного многоступенчатого экстрактора, на эффективность процесса, а также дают возможность на основании полуэмпирического подхода с использованием показателей работы экстрактора рассчитать коэффициент массопроводности.
5
0
0
Библиография
1. Белобородов В.В. Коэффициенты массо- и теплопередачи в системах твердое тело - жидкость (пар, газ) // Известия вузов. Пищевая технология. - 1983. - № 5. - С. 85-88.
2. Лыков А.В. Тепломассообмен: справочник. - 2-е изд. - М.: Энергия, 1978. - 480 с.
3. Белобородов В.В., Вороненко Б.А. Основные закономерности тепловой обработки пищевых продуктов // Сб. науч. тр. ЛИСТа им. Ф. Энгельса. - Л., 1980. - С. 132-146.
4. Алексеев Г.В., Романчиков С.А., Савельев А.П. Возможности изготовления энерго-ресурсо-сберегающих емкостей для приготовления пищи // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2018. -№ 3. - С. 83-88.
5. Wenzhe Bai Pascal, Hebraud Muthupandian Ashokkumar. Investigation on the pitting of potato starch granules during high frequency ultrasound treatment // Ultrasonics Sonochemistry. - 2017. - Vol. 35, P. B. - P. 547-555. - URL: https://doi.org/ 10.1016/j.ultsonch.2016.05.022
6. Патент РФ № 204882. Ультразвуковой экстрактор / Егорова О.А., Леу А.Г., Алексеев Г.В., Шанин В.А., Токбаева А.А. - Опубл. 16.06.2021.
7. Руськина А.А., Попова Н.В., Руськин Д.В. Модификация крахмала с помощью ультразвукового воздействия как инструмент изменения его технологических характеристик // Вестник ЮжноУральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. - 2018. - Т. 6, № 1. -С.69-76.
8. Алексеев Г.В. [и др.]. Анализ влияния параметров ультразвуковой обработки на клейстери-зующую способность картофельного крахмала // Естественные и технические науки. - 2021. -№ 7 (158). - С. 241-242.
9. Егорова О.А., Бирченко А.А., Шанин В.А. Совершенствование процесса осаждения крахмала из суспензии при обработке ультразвуком // Труды XII Евразийского научного форума: сб. ст., г. Санкт-Петербург, 20 декабря 2020 г. - СПб.: Изд-во ун-та при МПА, 2020. - С. 39-48.
10. Chun-Hsiang Chan, Ri-Gui Wu, Yi-Yuan Shao. The effects of ultrasonic treatment on physico-chemical properties and in vitro digestibility of semigelatinized high amylose maize starch // Food Hydrocol-loids. - 2021. - Vol. 119. - URL: https://doi.org/10.1016/ j.foodhyd.2021.106831
Bibliography
1. Beloborodov V.V. Mass and heat transfer coefficients in solid systems - liquid (vapour, gas) // News of Higher Educational Institutions. Food technology. - 1983. - N 5. - P. 85-88.
2. LykovA.V. Heat and mass transfer: reference book. - 2nd edition. - M.: Publishing House «Energy», 1978. - 480 p.
3. Beloborodov V.V., Voronenko B.A. The main patterns of heat treatment of food // Collection of scientific papers of the Leningrad Institute of Soviet Trade named after F. Engels. - L., 1980. - P. 132-146.
4. Alekseev G.V., Romanchikov S.A., Savelyev A.P. Manufacturing of energy-saving cooking tanks // Storage and processing of agricultural raw materials. - 2018. - N 3. - P. 83-88.
5. Wenzhe Bai Pascal, Hebraud Muthupandian Ashokkumar. Investigation on the pitting of potato starch granules during high frequency ultrasound treatment // Ultrasonics Sonochemistry. - 2017. - Vol. 35, P. B. - P. 547-555. - URL: https://doi.org/10.1016Zj.ultsonch.2016.05.022
6. Patent of the Russian Federation N 204882 U1. Ultrasonic extractor / Egorova O.A., Leu A.G., Alekseev G.V., Shanin V.A., TokbaevaA.A. - dated 06/16/2021.
7. Ruskina A.A., Popova N.V., Ruskin D.V. Modification of starch using ultrasonic exposure as a tool for changing its technological characteristics // Bulletin of the South Ural State University. Series: Food and biotechnologies. - 2018. - Vol. 6, N 1. - P. 69-76.
8. Alekseev G.V. [etal.]. Analysis of the influence of ultrasonic treatment on the adhesive capacity of potato starch // Natural and technical sciences. - 2021. - N 7 (158). - P. 241-242.
9. Egorova O.A., Birchenko A.A., Shanin V.A. Improvement of starch deposition from suspension during ultrasound treatment // Proceedings of the XII Eurasian Scientific Forum: Collection of articles. St. Petersburg, 2020, December 20. - SPb.: University under the Inter-Parliamentary Assembly of Eurasec, 2020. -P.39-48.
10. Chun-Hsiang Chan, Ri-Gui Wu, Yi-Yuan Shao. The effects of ultrasonic treatment on phys-ico-chemical properties and in vitro digestibility of semigelatinized high amylose maize starch // Food Hydrocol-loids. - 2021. - Vol. 119. - URL: https://doi.org/10.1016/jioodhyd.2021.106831
