ОЦЕНКА СТАБИЛЬНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА КОНЦЕНТРИРОВАННЫХПЛОДОВО-ЯГОДНЫХ ЭКСТРАКТОВ
Авторы:
1.
ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)»
2.
Кемеровский государственный университет
Кемерово, Кемеровская область, Россия
Кемерово, Кемеровская область, Россия
3.
ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет)»
Тип:
Статья
Страницы:
с 135
по 140
Статус:
Опубликован
Получено:
30.12.2016
Одобрено:
30.12.2016
Опубликовано:
30.12.2016
Классификаторы:
УДК 664 Пищевая промышленность
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
Плодово-ягодный экстракт, система, подсистема, экстрактор с вибрационной насадкой, контур внешней рециркуляции
Аннотация (русский):
Развитие технологий производства посредством внедрения новых или модернизированных единиц оборудования является наиболее эффективным способом повышения их производительности и качества получаемого продукта. Внедрение экстрактора с вибрационной насадкой в линию производства концентрированных плодово-ягодных экстрактов позволяет не только существенно сократить продолжительность технологических процессов переработки сырья, но и повысить содержание целевых компонентов в получаемом экстракте. Повышение целостности и качества модернизированной технологии при внедрении новых единиц оборудования является важной задачей, для решения которой посредством методологии теории технологического потока построена операторная модель рассматриваемой технологии, определено ее узкое место - подсистема образования промежуточного продукта с заданными технологическими показателями качества; рассчитана стабильность функционирования подсистемы при использовании экстрактора с контуром внешней рециркуляции и без него; определен уровень целостности системы. Для определения стабильности функционирования подсистем согласно предварительным исследованиям были установлены: оцениваемый период (60 мин), требуемый объем выборки (25 проб), допускаемый предел отклонения контролируемых параметров (5 %). Результаты исследования показали, что экстрактор, оснащенный контуром внешней рециркуляции, обеспечивает высокую стабильность функционирования подсистемы образования промежуточного продукта, равную 1, по сравнению с 0,47 (без контура внешней рециркуляции). Полученное значение стабильности функционирования подсистемы способствует повышению уровня целостности системы, значение которого при использовании экстрактора с вибрационной насадкой составило 0,75.
Развитие технологий производства посредством внедрения новых или модернизированных единиц оборудования является наиболее эффективным способом повышения их производительности и качества получаемого продукта. Внедрение экстрактора с вибрационной насадкой в линию производства концентрированных плодово-ягодных экстрактов позволяет не только существенно сократить продолжительность технологических процессов переработки сырья, но и повысить содержание целевых компонентов в получаемом экстракте. Повышение целостности и качества модернизированной технологии при внедрении новых единиц оборудования является важной задачей, для решения которой посредством методологии теории технологического потока построена операторная модель рассматриваемой технологии, определено ее узкое место - подсистема образования промежуточного продукта с заданными технологическими показателями качества; рассчитана стабильность функционирования подсистемы при использовании экстрактора с контуром внешней рециркуляции и без него; определен уровень целостности системы. Для определения стабильности функционирования подсистем согласно предварительным исследованиям были установлены: оцениваемый период (60 мин), требуемый объем выборки (25 проб), допускаемый предел отклонения контролируемых параметров (5 %). Результаты исследования показали, что экстрактор, оснащенный контуром внешней рециркуляции, обеспечивает высокую стабильность функционирования подсистемы образования промежуточного продукта, равную 1, по сравнению с 0,47 (без контура внешней рециркуляции). Полученное значение стабильности функционирования подсистемы способствует повышению уровня целостности системы, значение которого при использовании экстрактора с вибрационной насадкой составило 0,75.
Ключевые слова:
Плодово-ягодный экстракт, система, подсистема, экстрактор с вибрационной насадкой, контур внешней рециркуляции
Плодово-ягодный экстракт, система, подсистема, экстрактор с вибрационной насадкой, контур внешней рециркуляции
Введение Производство экстрактов и концентратов био- логически активных веществ методом экстрагирования плодово-ягодного сырья является эффектив- ным технологическим решением, обеспечивающим максимально полное использование сырьевых ресурсов при минимальных эксплуатационных затра- тах на оборудование [1, 10]. Схему технологии производства концентриро- ванных экстрактов из плодово-ягодного сырья диффузионным методом можно представить в следующем виде [2]. ртировка, Подготовка сырья (очистка от примесей, со взвешивание) ание, фи Подготовка экстрагента (темпериров льтрование) Экстрагирование плодово-ягодного сырья ↓ Разделение полученной суспензии на шрот и экстракт Фильтрование и осветление экстракта Прессование шрота ↓ ↓ Концентрирование экстракта под вакуумом Сушка шрота ↓ ↓ Пастеризация концентрированного экстракта Измельчение высушенного остатка ↓ ↓ Фасовка и хранение пастеризованного экстракта Фасовка и хранение сухого препарата Повысить эффективность рассматриваемой тех- нологии за счет увеличения массы извлеченных целевых компонентов из обрабатываемого сырья и одновременно за счет уменьшения продолжительности процесса экстрагирования возможно благодаря созданию в рабочем объеме экстрактора интенсив- ного гидродинамического режима. Разработка мас- сообменных аппаратов, реализующих метод нало- жения на обрабатываемую систему поля низкоча- стотных механических колебаний (НЧМК), является перспективным способом интенсификации процесса экстрагирования, поскольку характеризуется мини- мальными капиталовложениями и затратами на под- держание работы оборудования [3, 8]. Проведенные в работах [3, 8, 9] исследования показали высокую стабильность работы экстракто- ров с вибрационной насадкой в различных техно- логических системах. Полученные результаты объ- ясняются тем, что использование экстрактора с вибрационной насадкой позволяет избежать потери обрабатываемого продукта, уменьшить количество межоперационных перемещений перерабатываемо- го сырья и повысить производительность линии в целом за счет сокращения единиц оборудования в технологическом потоке. Минимизация отрицательного влияния факто- ров окружающей среды и повышение стабильности технологических процессов (усиление внут- ренних связей системы) при внедрении в техноло- гический поток экстрактора с вибрационной насадкой во многом предопределяют целостность и качество разрабатываемого технологического потока [4, 7, 5]. Цель настоящих исследований - расчет ста- бильности функционирования подсистемы образо- вания промежуточного продукта в технологиче- ском потоке производства концентрированных экс- трактов из замороженных плодов рябины красной на ОАО «Кемеровская фармацевтическая фабрика» при использовании модернизированного оборудо- вания - экстрактора с вибрационной насадкой не- прерывного действия, оснащенного контуром внешней рециркуляции. Объекты и методы исследований Операторная модель технологии производства концентрированных плодово-ягодных экстрактов при использовании экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия представлена на рис. 1. Рис. 1. Операторная модель технологической системы производства концентрированных экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья В операторной модели приняты следующие обозначения: А1 - подсистема получения пастеризованного экстракта с показателями качества, соответствую- щими стандарту, содержащая операторы: I - охла- ждения пастеризованного экстракта; II - пастериза- ции концентрированного экстракта; III - концен- трирования осветленного экстракта; IV - нагрева- ния экстракта до температуры концентрирования; А2 - подсистема получения измельченного сухо- го шрота с показателями качества, соответствую- щими стандарту, содержащая операторы: I - из- мельчения высушенного шрота; II - конденсации паров экстрагента; III - сушки шрота; В - подсистема получения осветленного экс- тракта с заданными технологическими показателя- ми качества, содержащая операторы: I - фильтро- вания экстракта; II - отжатия экстракта из шрота; III - разделения суспензии на шрот и экстракт; С - подсистема образования промежуточного продукта с заданными технологическими показателями качества, содержащая операторы: I - перера- ботки замороженного плодово-ягодного сырья; II - инспекции сырья. Технологический поток ввиду возможности по- лучения двух продуктов: пастеризованного экс- тракта и измельченного сухого шрота имеет разветвленную расходящуюся структуру. Переработка замороженного плодово-ягодного сырья, находящаяся в начале технологического потока, в подсистеме С, представляет собой соче- тание ряда процессов в одном аппарате: смешива- ние замороженных плодов с экстрагентом, размо- раживание плодов, разрушение плодов, образова- ние суспензии и экстрагирование целевых компо- нентов из разрушенной твердой фазы. Учитывая сложность получения промежуточного продукта и влияние его характеристик на качество получаемо- го экстракта, переработку замороженного плодово- ягодного сырья можно рассматривать как узкое место технологической системы. При многотоннажном производстве концентрированных плодово-ягодных экстрактов наиболее предпочтительно использование в технологическом потоке экстрактора с вибрационной насадкой не- прерывного действия, являющегося аппаратом II класса, поскольку процессы переработки совер- Стабильность функционирования подсистем ηi можно рассчитать, допуская предел отклонения этого значения на величину, не превышающую 5 %, E шаются в нем одновременно с перемещением обра- батываемой среды. Для проведения остальных тех- нологических операций целесообразно использова- i 1 i Emax , (2) ние оборудования не ниже II класса, позволяющего организовать непрерывную структуру технологиче- ского цикла. В качестве способа повышения концентрации целевых компонентов в производимом экстракте при переработке замороженного плодово-ягодного сырья рекомендуется использование в экстракторе контура внешней рециркуляции [6]. Производительность по твердой фазе составляла 10 кг/ч при гидромодуле 1/4, частоте колебаний насадки 16,7 Гц и амплитуде - 14 мм. Габаритные размеры корпуса экстрактора: диаметр 150 мм, вы- сота 640 мм; количество тарелок в насадке 4; диа- метр тарелок 146 мм; диаметр отверстий перфора- ции в тарелке 3 мм; живое сечение тарелки 16,5 %; толщина тарелок 3 мм. В качестве контролируемого параметра ста- бильности функционирования подсистемы С при- нята концентрация сухих растворимых веществ (СРВ) в промежуточном продукте. На основании результатов проведенных исследований экстракто- ра с вибрационной насадкой непрерывного дей- ствия при переработке замороженных плодов ряби- ны красной было установлено значение концентра- ции СРВ в промежуточном продукте, при котором наблюдалась его стабильная работа: при работе без контура внешней рециркуляции эта концентрация составила 4,2 % масс.; с контуром внешней рецир- куляции - 6,8 % масс. Для других подсистем были выбраны соответствующие контролируемые пара- метры: B, А1 - массовая доля осадка в экстракте; А2 - остаточная влажность измельченного сухого шрота. По значениям проб выборки, разбитых на два ин- тервала: удовлетворяющих и не удовлетворяющих выбранным пределам, рассчитывалась стабильность подсистем. Число проб выборки n рассчитывалось согласно следующим рекомендациям [5] z2 y (1 y) где Ei (U log2U (1 U ) log2 (1 U )) - энтропия подсистемы, соответствующая данному распределению значений величины концентрации СРВ в экстракте (здесь U - вероятность попадания случайной величины в область допускаемых значе- ний); Emax = 1 - соответствующий закону равно- мерного распределения максимум энтропийной функции. Слагаемые (-U∙log2U) и (1 - U)∙log2(1 - U) для расчета Ei при различных значениях соответству- ющих вероятностей U и (1 - U) приняты согласно табличным данных [5]. Уровень целостности системы (рис. 1) склады- вается следующим образом: CBA1 C B/C A1/CB 2 ; (3) CBA2 C B/C A2/CB 2 , (4) где ηС - стабильность подсистемы С; ηB/C, ηA1/CB, ηA2/CB - условные стабильности одной подсистемы относительно другой. Результаты и их обсуждение Согласно представленным в табл. 1 результатам использование в технологическом потоке экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного дей- ствия, оснащенного контуром внешней рециркуляции, обеспечивает достаточно высокую стабильность функционирования подсистемы С, равную 1, по сравнению с 0,47 (без контура внешней рецир- куляции). Уровень целостности системы при использова- нии экстрактора, оснащенного контуром внешней рециркуляции: CBA1 1 1 0,75 2 0,75 ; CBA2 1 1 1 2 1. Уровень целостности системы при использовании n P 2 , (1) экстрактора без контура внешней рециркуляции: ; где zP - нормированное отклонение с соответству- ющей вероятностью; y - доля признака среди ото- бранных образцов; Δ - половина доверительного интервала. Предварительные исследования показали, что при zP = 1,96, соответствующей вероятности 0,95 [5]; y = 0,5 и Δ = 0,2, требуемое число выборки со- ставило 25 проб. CBA1 0, 47 0,6 0, 6 2 0,33 CBA2 0, 47 0,6 1 2 0,07 . Полученные результаты показали, что подси- стема С оказывает наибольшее влияние на уровень целостности системы посредством влияния на ста- бильности функционирования последующих под- систем B и А1. Таблица 1 -(1-U) log2(1 - U) Результаты расчета стабильности функционирования подсистем технологической системы производства концентрированных плодово-ягодных экстрактов Подсистема Оцени- ваемый период Объем выбор- ки, шт. Число проб U 1 - U -U∙log2U Ei ηi в 1-минтерва- ле во 2-минтерва- ле С контуром внешней рециркуляции C 60мин 25 25 0 1 0 0 0 0 1 B 60мин 25 25 0 1 0 0 0 0 1 A2 60мин 25 25 0 1 0 0 0 0 1 A1 60мин 25 24 1 0,96 0,04 0,06 0,19 0,25 0,75 Без контура внешней рециркуляции C 60мин 25 22 3 0,88 0,12 0,16 0,37 0,53 0,47 B 60мин 25 23 2 0,92 0,08 0,11 0,29 0,4 0,6 A2 60мин 25 25 0 1 0 0 0 0 1 A1 60мин 25 23 2 0,92 0,08 0,11 0,29 0,4 0,6 Для идеально целостной системы характерно значение уровня целостности, равное 1. Следова- тельно, использование экстрактора, оснащенного контуром внешней рециркуляции, не вызывает снижение стабильности функционирования подси- стемы С и, кроме того, повышает уровень целост- ности всей системы. Стабильная работа экстрактора, оснащенного кон- туром внешней рециркуляции, объясняется его ос- новным преимуществом - выравниванием поля кон- центраций СРВ по высоте рабочего объема экстрактора. Это позволяет судить о постоянстве остальных свойств получаемого промежуточного продукта (плотности, вязкости, органолептических показателях и др.), способствующих стабильной работе оборудо- вания на дальнейших технологических операциях. Таким образом, энтропийная оценка стабильно- сти функционирования подсистемы С, выполнен- ной на базе экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия, оснащенного контуром внешней рециркуляции, показала высокий уровень ее организованности.
1. Бакуменко, О.Е. Технология обогащенных продуктов питания для целевых групп. Научные основы и техноло- гия. - М.: ДеЛи плюс, 2013. - 287 с
2. Бурачевский, И.И. Современные способы получения полуфабрикатов ликеро-водочного производства / И.И. Бурачевский, К.И. Скрипник. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 136 с
3. Вибрационные массообменные аппараты / И.Я. Городецкий, А.А. Васин, В.М. Олевский, П.А. Лупанов; под ред. В.М. Олевского. - М.: Химия, 1980. - 192 с
4. Кравченко, С.Н. Моделирование и синтез технологического потока производства экстрактов из сырья растительного происхождения / С.Н. Кравченко, А.М. Попов, С.С. Павлов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2005. - № 7. - С. 62-64
5. Панфилов, В.А. Теория технологического потока. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: КолосС, 2007. - 319 с
6. Пат. 2545300 Российская Федерация, МПК B 01 D 11/02 (2006.01). Экстрактор вибрационный / Сорокопуд А.Ф., Иванов П.П., Халтурин М.А.; опубл. 27.03.2015, Бюл. № 9. - 5 с
7. Попов, А.М. Системные закономерности сложных объектов и принципы их использования при исследовании и проектировании технико-технологических комплексов / А.М. Попов, В.А. Панфилов // Хранение и переработка сельхозсы- рья. - 2005. - № 10. - С. 15-17
8. Сорокопуд, А.Ф. Использование системного анализа при исследовании аппаратов с вибрационной насадкой / А.Ф. Сорокопуд, П.П. Иванов // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». - 2014. - № 1 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://processes.open-mechanics.com/articles/938.pdf (20 июня 2016)
9. Халтурин, М.А. Оценка стабильности процесса экстрагирования в технологическом потоке при использовании аппарата с вибрационной насадкой / М.А. Халтурин, П.П. Иванов // Инновации в пищевой промышленности: образование, наука, производство: материалы Всерос. науч.-практ. конф. (г. Благовещенск, 23 апреля 2014 г.): в 2 ч. Ч. 2. - Благовещенск: ДальГАУ, 2014. - С. 114-118
10. Шобингер, У. Фруктовые и овощные соки: научные основы и технологии / пер. с нем. под общ. науч. ред. А.Ю. Колеснова, Н.Ф. Берестеня и А.В. Орещенко. - СПб.: Профессия, 2004. - 640 с
