SlideShare ist ein Scribd-Unternehmen logo
1 von 24
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
ЗАПОРОЖЕЦЬ ЮЛІЯ ВЛАДИСЛАВІВНА
УДК 664.061.4:084
ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСУ ЕКСТРАГУВАННЯ ХМЕЛЮ
ЗА ДОПОМОГОЮ НИЗЬКОЧАСТОТНИХ МЕХАНІЧНИХ КОЛИВАНЬ
У ПИВОВАРНОМУ ВИРОБНИЦТВІ
05. 18. 12 - Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та
фармацевтичних виробництв
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидататехнічних наук
КИЇВ - 2010
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному університеті харчових технологій
Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Зав’ялов Володимир Леонідович,
Національний університет харчових технологій МОН
України, м. Київ, доцент кафедри процесів і апаратів хар-
чових виробництв та технології консервування
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Мирончук Валерій Григорович,
Національний університет харчових технологій МОН
України, м. Київ, завідувач кафедри технологічного обла-
днання харчових виробництв
кандидат технічних наук, доцент
кандидат технічних наук, доцент
Дячок Василь Володимирович,
Національний університет «Львівська політехніка» МОН
України, м. Львів, доцент кафедри екології та охорони
навколишнього середовища
Захист відбудеться «08» грудня 2010 року о 1400
годині на засіданні спеціа-
лізованої вченої ради Д 26.058.02 Національного університету харчових техноло-
гій за адресою:
01601, м. Київ, вул. Володимирська, 68, аудиторія А – 311.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету
харчових технологій за адресою:
01601, м. Київ, вул. Володимирська, 68
Автореферат розісланий «02» листопада 2010 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., доцент Л.О. Кривопляс-Володіна
1
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Розвиток харчової промисловості вимагає
розв’язання задач, спрямованих на удосконалення екстракційної апаратури та
теорії екстрагування. Низька ефективність більшості існуючих способів вилу-
чення цільових компонентів із рослинної сировини з високою ступінню її по-
дрібнення викликана недосконалістю екстракційної апаратури, оскільки дріб-
нофракційна сировина або виготовлена з неї маса не має достатньої пористості
для застосування протитечійного безперервного екстрагування. Значна частина
поверхні контакту фаз піддається ефекту екранування, від чого втрачає свою
активність. Особливо гостро ці питання стоять у пивоварній промисловості, де
раціональне використання хмельової сировини визначається досконалістю екс-
тракційного обладнання, як фактора, що забезпечує необхідну якість екстракту.
Серед багатьох відомих способів інтенсифікації екстрагування є застосу-
вання низькочастотних механічних коливань, які реалізуються у найбільш пер-
спективних апаратах – віброекстракторах. Стримуючим фактором широкого
впровадження їх у промисловість є недостатня вивченість масообмінних і гід-
родинамічних характеристик. Тому проведення комплексу теоретичних та екс-
периментальних досліджень з метою наукового обґрунтування і розроблення
високоефективних апаратів та нових технологій для виробництва хмельових
екстрактів є актуальним.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисерта-
ційну роботу виконано відповідно пріоритетному напряму наукових дослі-
джень НУХТ на 2006 – 2010 рр. «Розроблення наукових основ тепломасообмін-
них та інших процесів харчових, мікробіологічних і фармацевтичних вироб-
ництв з метою створення нових високоефективних технологій та обладнання,
засобів механізації та автоматизації для харчових та переробних галузей АПК»
(схвалено Вченою Радою НУХТ протокол №7 від 25.03.2006р.), плану науково-
дослідної роботи кафедри процесів і апаратів харчових виробництв та техноло-
гії консервування НУХТ за напрямом «Інтенсифікація технологічних процесів у
харчовій і мікробіологічній промисловості», тематики ПНДЛ НУХТ «Дослі-
дження впливу низькочастотних механічних коливань на інтенсифікацію про-
цесу екстрагування із рослинної сировини» (КПКВ 2201020 «Фундаментальні
дослідження у вищих навчальних закладах», № державної реєстрації
1006U000418).
Автор особисто брала участь у проектуванні і виготовленні вібротранс-
портувальних пристроїв, проведенні експериментальних досліджень, оброблен-
ні та узагальненні результатів експериментів, розробленні напівпромислового
віброекстрактора безперервної дії.
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є теоретичне і експеримен-
тальне дослідження процесу віброекстрагування цільових компонентів із шиш-
2
кового хмелю та створення високоефективного обладнання безперервної дії для
отримання хмельових екстрактів.
Для розв’язання поставленої мети сформульовано наступні задачі:
- вивчити існуючі напрями удосконалення процесу вилучення цільових
компонентів із хмельової сировини;
- дослідити дифузійні властивості шишкового хмелю та вплив низькочас-
тотних механічних коливань на екстрактивні властивості хмельової сиро-
вини;
- розробити та виготовити експериментальну установку;
- дослідити гідродинамічні та масообмінні характеристики роботи віброек-
страктора безперервної дії з метою вибору оптимальних конструктивних і
робочих параметрів вібруючого транспортувального пристрою;
- розробити математичну модель структури потоків при безперервному ві-
броекстрагуванні із хмельової сировини;
- дослідити ефективність сумісної дії низькочастотних механічних коли-
вань та попереднього електроіскрового оброблення на екстракційну здат-
ність хмельової сировини;
- розробити конструкцію високопродуктивного протитечійного віброекст-
рактора безперервної дії;
- розробити апаратурно-технологічні схеми виробництва хмелевих екстра-
ктів з віброекстрагуванням та попереднім електроіскровим обробленням
хмельової сировини.
Об’єктом досліджень є процес екстрагування цільових компонентів із
шишкового хмелю в умовах впливу низькочастотних механічних коливань.
Предметом досліджень є гідродинаміка та масообмін при безперервному
віброекстрагуванні цільових компонентів із хмельової сировини.
Методи дослідження включають аналітичне моделювання, багатофакто-
рні експерименти, дослідження промислового рівня, типові методики визна-
чення якісних показників екстракту хмелю. Оброблення експериментальних
даних і розрахунки було виконано із застосуванням сучасних інтегрованих сис-
тем MathCAD 14, КОМПАС – 3D V11, AutoCAD 2010, CorelDRAW X4 та ін.
Наукова новизна одержаних результатів. Досліджено дифузійні влас-
тивості хмельової сировини та встановлено вплив на її структуру низькочастот-
них механічних коливань; доведено можливість вилучення необхідної гами ці-
льових компонентів з хмельової сировини водою при віброекстрагуванні з об-
ґрунтуванням режимних параметрів процесу; розроблено нову конструкцію ві-
бротранспортувального пристрою та обґрунтовано його геометричні розміри;
встановлено новий ефект протитечійного розділення фаз при безперервному ві-
броекстрагуванні; доведена та обґрунтована доцільність та ефективність суміс-
ної дії низькочастотних механічних коливань і попереднього електроіскрового
3
оброблення та їх вплив на інтенсифікацію процесу вилучення цільових компо-
нентів із хмельової сировини; досліджено структуру гідродинамічного потоку
та розроблено математичну модель для встановлення рівня поздовжнього пере-
мішування при безперервному віброекстрагуванні; обґрунтовано оптимальний
режим віброекстрагування ізогумулона із хмельової сировини, що забезпечує
високу продуктивність апарата з низьким поздовжнім перемішуванням. Дістали
подальший розвиток: моделювання зовнішнього масообміну за допомогою мо-
дельних зразків з дифузійним типом розчинення, а також теорія оновлення мі-
жфазної поверхні при збуренні системи тверде тіло – рідина низькочастотними
механічними коливаннями під час екстрагування.
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і ре-
комендацій забезпечена використанням сучасних методик і технічних рішень,
математичних методів оброблення експериментальних даних, а саме: викорис-
танням метрологічно атестованої вимірювальної техніки і приладів: спектрофо-
тометру СФ-46 з довжиною хвилі 275 нм і кварцовими кюветами товщиною по-
глинаючого шару 10-2
м; мікроскопу з пристроєм електронної фіксації оптичних
сигналів; технічного рефрактометру ИРФ; вагів технічних А500 і аналітичних
AD200; контактного термометру ТЛ-5; виконанням хіміко-технічних аналізів
вихідної сировини і екстрактів відповідно до Інструкції з техно-хімічного конт-
ролю виробництва пива; використанням сучасних аналітичних інтегрованих си-
стем MathCAD 14, КОМПАС – 3D V11, AutoCAD 2010.
Достовірність результатів досліджень і адекватність розроблених матема-
тичних моделей підтверджується результатами промислових випробувань на-
півпромислового зразка віброекстрактора хмелю безперервної дії.
Практичне значення отриманих результатів. Виконано технічний про-
ект та отримано оптимальні режимні параметри роботи віброекстрактора з но-
вим вібротранспортувальним пристроєм, здатним забезпечити ефективне розді-
лення фаз та низьке поздовжнє перемішування в умовах протитечійного віброе-
кстрагування цільових компонентів із хмельової сировини, з метою інтенсифі-
кації масообміну (патент на корисну модель № 27705 від 12.11.07, Бюл. № 18;
патент на винахід № 86485 від 27.04.09, Бюл. №8; патент на корисну модель №
46856 від 11.01.10, Бюл. №1). Результати роботи використані КБ «Яготинський
машинобудівний завод» для розроблення технічної документації на віброекст-
рактор безперервної дії для пивоварної промисловості. Розроблені нові апара-
турно-технологічні схеми виробництва хмельових екстрактів із використанням
віброекстрагування (патент на корисну модель № 51295 від 12.07.10, Бюл. №13)
та попереднього електроіскрового оброблення хмельової сировини. Результати
роботи впроваджено на Бердичівському пивзаводі. Матеріали дисертаційної
роботи доцільно використати в навчальному процесі при підготовці фахівців
напряму «Харчова технологія та інженерія» при вивченні дисциплін: «Процеси
4
і апарати харчових виробництв», «Процеси і апарати біотехнологічних вироб-
ництв» та «Математичні моделі в розрахунках на ЕОМ».
Особистий внесок здобувача полягає у проведенні теоретичних та екс-
периментальних досліджень, підборі методик, обробці експериментальних да-
них, розробленні математичної моделі, промислових випробуваннях розробле-
ної конструкції віброекстрактора безперервної дії, узагальненні результатів та
їх публікації.
Розроблення технічний проекту напівпромислового зразка віброекстрак-
тора та його патентування, аналіз та узагальнення результатів досліджень вико-
нано у співавторстві з науковим керівником к.т.н., доц. Зав‘яловим В.Л.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповіда-
лись на наукових конференціях молодих учених, аспірантів і студентів НУХТ
(Київ, 2003 – 2010 рр.), 9-й Міжнародній науково-технічній конференції «Нові
технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сього-
дення і перспективи» (НУХТ, Київ, 2005 р.), 11 Міжнародній науковій конфе-
ренції «Удосконалення процесів та обладнання харчових і хімічних вироб-
ництв» (Одеса, 2008 р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Стан і
перспективи розвитку сучасних технологій і обладнання переробних і харчових
виробництв» (Вінниця, 2009 р.), Міжнародній науково-практичній конференції
«Новітні технології, обладнання, безпека та якість харчових продуктів: сього-
дення та перспективи» (Київ, 2010 р.).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 20 робіт: 4 статті у
фахових виданнях, 3 деклараційні патенти України на корисну модель та 1 на
винахід, 12 тез доповідей на наукових конференціях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із
вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Ос-
новний зміст дисертаційної роботи викладено на 124 сторінках, в тому числі
102 рисунка і 9 таблиць; до роботи додається 7 додатків на 61 сторінці. Список
використаних літературних джерел містить 162 найменування.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано доцільність і актуальність дисертаційної роботи,
визначені мета і задачі досліджень.
У першому розділі наведено літературний огляд сучасного стану вироб-
ництва хмельових екстрактів в Україні, способи їх отримання. Сформульовано
припущення про можливість використання води для отримання хмельових екс-
трактів при інтенсивному перемішуванні фаз. Глибокий аналіз існуючих конс-
трукцій промислових екстракторів показав перспективність застосування віб-
5
роекстракторів безперервної дії, а також напрямки їх удосконалення та сприяв
формулюванню задач досліджень.
У другому розділі наведено методики досліджень, описано експеримен-
тальні установки.
Для реалізації задач досліджень було виготовлено дослідну віброекстрак-
ційну установку безперервної дії (рис.1). Принцип її роботи такий: екстрагент
потрапляє в апарат через пристрій 5, рухається вздовж апарата і після фільтру-
вання через сито 7 виводиться через кран 8. Тверда фаза подається через заван-
тажувальний пристрій 3, рухається під дією коливального руху тарілок проти-
течійно екстрагенту і виводиться через лоток 6.
При русі тарілки вниз (рис.2, а) суміш подрібнених шишок хмелю з екст-
рагентом витискується через відкриті елементи 2 і потрапляє в патрубок 5.
Утворений при цьому факел суміші розширюється до стінок патрубка, а подрі-
бнені шишки хмелю ідуть у периферійну зону. На виході з патрубка відбува-
ється подальше розширення факела суміші і тверді частки потрапляють за межі
патрубка.
При русі тарілки вверх (рис.2, б) центральна частина факела суміші, що
має найменший вміст твердої фази, змикаючись повертається до відкритого
елемента 2 і переходить під тарілку. Оскільки гідравлічний опір відкритих
подрібнена
рослинна сировна екстрагент
екстракт
шрот
1
2
3
4
9
7
5
6
8
рух тарілки
вниз
de
H
De
рух тарілки
вверх
а)
б)
1
2
3 4
5
рух тарілки
вниз
de
H
De
рух тарілки
вверх
а)
б)
1
2
3 4
5
Рис.1. Схема експериментальної
установки:
1 – колона; 2, 3 – вібротранспортуваль-
ний та завантажувальний пристрої;
4 – штоки; 5 – колектор; 6 – лоток;
7 – сито; 8 – кран; 9 – вібропривід
Рис.2. Схема руху потоків:
а) переток середовища у бік
твердої фази;
б) рух середовища в період
фільтрування екстрагента:
1 – транспортувальна тарілка;
2, 5 – відкриті елементи;
3 – гнучкий патрубок; 4 – сітка
6
елементів при переміщенні тарілки вверх більший, ніж при зворотному напря-
мі, це дає можливість затримати на тарілці більше твердих частинок хмелю,
тобто призводить до їх протитечійного екстрагенту транспортуванню.
1
3
2
4
5
6
регульовий
зазор
догенератора
імпульснихструмів
1
3
2
4
5
6
регульовий
зазор
догенератора
імпульснихструмів
Дослідження впливу попере-
дньої електроіскрової обробки
хмельової сировини перед віброек-
страгуванням проводили в розряд-
ній камері спеціальної конструкції,
зовнішній вигляд якої наведено на
рис.3. Напруга в каналі розряду
встановлювалась регулюванням за-
зору між торами повітряного роз-
рядника. Проби обробленої хме-
льової сировини відбирались через
зливний патрубок із спеціальним
краном.
У третьому розділі розроблено математичну модель структури по-
токів при безперервному віброекстрагуванні з хмельової сировини. Для
оцінювання рівня поздовжнього перемішування прийнято комбіновану
модель. При цьому апарат умовно поділявся на дві послідовно з’єднані
зони з різним механізмом та ступенем перемішування: ідеального пере-
мішування (ІП) та ідеального витіснення (ІВ) (рис.4).
сировина
зона ІП
екстрагент
шрот
екстракт
зона ІВ
сировина
зона ІП
екстрагент
шрот
екстракт
зона ІВ
Така модель передбачає ідеальне перемішування у завантажувальній час-
тині апарата та ідеальне витіснення в робочій зоні апарата, ускладнене поздов-
жнім перемішуванням:
( )*
2
2
,L
dS
S S
dt V
c c c
u D
t x x
uì
= -ïï
í
¶ ¶ ¶ï = - +
ï ¶ ¶ ¶î
(1)
де S та S*
– відповідно поточна та рівноважна концентрації речовини в зава-
нтажувальному пристрої; t – час; x – змінна координата довжини робочої час-
тини апарата; DL – коефіцієнт поздовжнього перемішування; υ, u – відповідно
об’ємна та лінійна швидкість потоку; V – об’єм робочої зони апарата.
Рис.4. Схема структури потоків у віброекстракторі безперервної дії
Рис.3. Зовнішній вигляд електророз-
рядної камери: 1 – корпус;
2 – анод; 3 – катод; 4 – патрубок;
5 – кришка; 6 – ізолятор
7
При імпульсному трасуванні робочого потоку зона ІП описується модел-
лю:
( )
( )
( ) 00 ,
dS t
S t
dt
S S
b
ì
= -ï
í
ï =î
(2)
де /Vb u= – величина еквівалентна оберненому середньому часу перебування
трасера в апараті; V – об’єм зони ІП, S0, S(t) – відповідно початкова та поточна
концентрації речовини в зоні ІП.
Зона ІВ може бути описана наступною крайовою задачею:
( ) ( ) ( )
x
txC
U
x
txC
D
t
txC
L
¶
¶
-
¶
¶
=
¶
¶ ,,,
2
2
; Lx ££0 (3)
з початковою: ( ),0 0C x = ; 0 x L£ £
та крайовими умовами на лівому
( ) () ( )( )txCtSU
x
txC
DL ,
,
-=
¶
¶
- при x = 0; (4)
та правому кінцях ділянки робочого об’єму апарата:
( ) 0
,
=
¶
¶
x
txC
при x = L. (5)
Розв’язок систем (2) та (3) методом розділення змінних може бути пода-
ний у вигляді:
( ) ( ) ( )tRexy
A
eStxC n
t
t
Pe
n
n n
t
t
L
xPe
n
21
1
2
1
2
0
1
2,
l-¥
=
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
å= , (6)
де ( )
( )
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
-
=
-
1
1 t
t
t
n
n
n
e
t
tR
bg
bg
,
Pe
Pe n
n
2
4
l
g += , ÷
ø
ö
ç
è
æ
++=
4
11 2
PePe
A
n
n
l
,
( ) ÷
ø
ö
ç
è
æ
+÷
ø
ö
ç
è
æ
=
L
xPe
L
x
xy n
n
nn
l
l
l sin
2
cos – власна функція однопараметричної дифузій-
ної моделі (3) з крайовими умовами (4), (5); 0>n
l – корені трансцендентного
рівняння: 22
4
4
Pe
Pe
tg
-
×
=
l
l
l ;
L
D
Lu
Pe
×
= – критерій Пекле,
u
L
t = – середній час пе-
ребування трасера в зоні ІВ, L – довжина робочої ділянки.
Отримана формула (6) може бути використана для визначення поточної
концентрації речовини в довільній точці робочої зони апарата та взята за осно-
ву при розв’язанні оптимізаційних задач.
Результати дослідження структури потоку в апараті узагальнені кривими
відгуку системи на імпульсне збурення (рис.5) – S=f(θ), де /iS C C= та /iq t t=
– відповідно безрозмірні концентрація та час.
Встановлено, що із зростанням частоти коливань тарілки від 2 до 4 Гц по-
здовжнє перемішування збільшується в середньому у 3 рази. Ще більший вплив
на перемішування фаз вздовж осі потоку суміші в апараті має амплітуда коли-
вань.
8
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
1.5 2 2.5 3 3.5 4
Q 10
3
,
м
3
/год
f, Гц
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
θ
S
Раціональним режи-
мом роботи віброекстрак-
тора, що забезпечує необ-
хідну продуктивність з мі-
німальним ефектом поздо-
вжнього перемшування,
слід вважати режим з амп-
літудою 10·10-3
м та часто-
тою коливань до 3 Гц для
тарілок з транспортуваль-
ними елементами у кілько-
сті від 10 до 16 при співвід-
ношеннях висоти до діаме-
тра гнучких патрубків та
діаметра гнучких патрубків
до діаметра транспортува-
льних елементів відповідно 1,5-3 та 2-3. На даному проміжку спостерігається
значне зменшення рівня поздовжнього перемішування, що покращує гідроди-
намічну обстановку в апараті (рис.6). Встановлено збільшення транспортуваль-
ної здатності тарілок з гнучкими патрубками на хмельовій сировині при амплі-
туді коливань 10·10-3
м (рис.7).
У четвертому розділі досліджувались дифузійні властивості шишкового
хмелю та ефективність дії пульсуючих турбулентних струменів. За дослідними
даними побудовано екстракційні криві для різних температур екстрагента. За
характером отриманих залежностей (рис.8 та рис.9) процес екстрагування хме-
Рис.5. Експериментальні C-криві відгуку сис-
теми на імпульсне збурення робочого потоку
апарата при частоті коливань
вібротранспортувальної системи 3 Гц для
амплітуд коливань відповідно:
A = 5 мм– А=5·10-3
м; – А=10·10-3
м;
– А=15·10-3
м
Рис.7. Залежність продуктивності
віброекстрактора від частоти коли-
вань вібротранспортувального при-
строю: хміль; капронова дрібка;
бурякова стружка; хміль
(тарілка з жорсткими патрубками)
Рис.6. Залежність продуктивності
віброекстрактора та рівня поздовжнього
перемішування від геометрії транспор-
тувальних елементів:
– f=1 Гц; – f=2 Гц; – f = 3 Гц;
– f = 4 Гц; – f=DL
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13 DL·10
4
,
м2
/с
0
1.25 1.75 2.25 2.75 3.25 3.75
D/d
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 H/D
Q·10
3
,
м
3
/год
DL
Pe = 16,837
Pe = 8,405
Pe = 5,715
9
лю у віброекстракторі безперервної дії можна розділити на 2 характерних про-
міжки: зростання та спадання значення коефіцієнта дифузії. Зростання молеку-
лярної дифузії на першому проміжку до 20 хв пояснюється вилученням цільо-
вих компонентів, розташованих у поверхневих шарах сировини (≈ 30% від усіх
сухих речовин). Спадання на другому проміжку пояснюється вилученням СР,
розташованих у глибині сировини. Розшарування графіків відбувається за ра-
хунок зміни умов екранування або зміною активної поверхні твердої фази за
частотною характеристикою та гідромодулем.
1
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
1.35
1.4
1.45
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
τ, хв
D•10
13
,
м
2
/с
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
τ, хв
Ві
Поступове зростання критерію Біо (рис.9) із збільшенням частоти коли-
вань свідчить про збільшення швидкості зовнішньої дифузії у порівнянні із
швидкістю внутрішньої, яка зумовлена виключно властивостями сировини.
Досліджувались ефективність дії пульсуючих турбулентних струменів на
модельній сировині (зразки кристалогідрату сірчанокислого алюмінію
(А12(SО4)3·18Н2О діаметром 14·10-3
м, висотою 22·10-3
м) із захищеними від
розчинення торцями) та амплітудно-частотний вплив на дифузійний процес роз-
чинення зразків на різних відстанях від джерела коливань. У цьому випадку кое-
фіцієнт масовіддачі практично дорівнює коефіцієнту швидкості процесу розчи-
нення (KM) та визначається за формулою:
( )
( )
0 0 1
0
2 / 2 / 2
M
H
G G G
K
F C C
q q
t
- - +
=
-
,
де F0 – початкова площа поверхні розчинення зразка, м2
; G0 – маса зразка
до розчинення, кг; θ – зміна маси зразка за час введення його в апарат і виве-
дення з нього, кг; q--= mGG 01
– маса зразка після розчинення, кг; СН і С –
відповідно концентрація насичення і концентрація розчинюваної речовини в
основній масі розчинника, кг/м3
.
Результати досліджень узагальнено у вигляді функціональної залежності
Рис.9. Зміна значення критерію Біо
в часі при різних частотах коливан-
ня вібротранспортувальної системи
(q = 20): – f = 2 Гц;
– f = 3Гц; – f = 4 Гц.
Рис.8. Зміна коефіцієнта дифузії в часі
при різних частотах коливання
вібротранспортувальної системи
(q=20): – f = 2 Гц; – f = 3Гц;
– f = 4 Гц.
10
( )0,5 1,0
/ Pr ReД Д ВNu f= для умов дії струменів, генерованих нижньою та сумісною
дією верхньої та нижньої тарілок, яка апроксимується відповідними критеріа-
льними рівняннями (рис.11).
У п’ятому розділі досліджено доцільность попереднього оброблення во-
дно-хмельової суспензії електроімпульсними розрядами з метою інтенсифікації
процесу віброекстрагування. Вста-
новлено раціональний режим прове-
дення попередньої обробки хмельо-
вої сировини перед віброекстрагу-
ванням, при якому вихід цільового
продукту із рослинної сировини буде
найбільшим (кількість імпульсів – 1;
напруга в каналі розряду – 30 кВ).
Досліджено сумісний вплив
електроіскрової обробки сировини і
низькочастотних механічних коли-
вань при віброекстрагуванні. З
метою візуалізації наслідків руйнації
клітини за рахунок сумісної дії
електроіскрового оброблення та ни-
зькочастотних механічних коливань
виконувались мікрофотознімки
Nu/Pr
0,5
Nu = 0,0207•Re•Pr0,5
Nu = 0,0092•Re•Pr0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Re
Рис.11. Узагальнення експериментальних даних по дослідженню
ефективності дії пульсуючих турбулентних струменів з використанням
модельної сировини: – дія нижньої тарілки; – сумісна дія нижньої та
верхньої тарілок; – зона дії верхньої тарілки
Рис.12. Вихідна сировина
Рис.13. Сировина після
електроіскрового оброблення
11
структури рослинної сировини
(рис. 12-14).
Рис.14 показує глибоку руйна-
цію клітини в результаті сумісної дії
попереднього електроіскрового об-
роблення сировини та низькочастот-
них механічних коливань. Цей ефект
скорочує загальний час процесу ви-
лучення цільових компотнентів від 40 до 20 хв при незмін них якісних показни-
ках екстракту (рис.15, 16). Отриманий ефект підкреслює переваги отримання
водноізомеризованого екстракту даним способом, оскільки при цьому можливо
отримати комплексний препарат, що містить не тільки водорозчинні гіркі речо-
вини, а й весь комплекс речовин, які зазвичай потрапляють в пивне сусло при
його охмелінні шишковим хмелем, але з більшим виходом.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 10 20 30 40 50 60
τ, хв
СР, %
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 10 20 30 40 50 60
τ, хв
ВГ,
од. ЕВС
У шостому розділі представлено розроблену конструкцію віброекстрак-
тора безперервної дії з протитечійною транспортувальною системою (рис.17).
Висока продуктивність віброекстрактора забезпечується за допомогою
вібротранспортувального пристрою (рис.18) спеціальної конструкції, який не
викликаює пресування та забезпечує поруватість шару рослинної сировини не-
залежно від розміру часток. Він оснащений однонаправленими елементами 4,
які мають різний гідравлічний опір руху через них середовища у взаємно про-
тилежних напрямах і розташованими таким чином, що гідравлічний опір руху
середовища у бік вивантаження твердої фази менше, а також протилежно на-
правленими ним аналогічними елементами, закритими фільтруючими випук-
лими сітками 3, встановленими на стороні меншого гідравлічного опору еле-
Рис.16. Зміна величини гіркоти в
часі при сумісному впливі
попередньої електроіскрової оброб-
ки сировини і низькочастотних ме-
ханічних коливань на процес
віброекстрагування: – сировина з
попереднім обробленням;
– сировина без попереднього
оброблення
Рис.15. Вміст сухих речовин в
екстракті при сумісному впливі попе-
реднього електроіскрового оброблен-
ня сировини і низькочастотних меха-
нічних коливань при віброекст-
рагуванні: – без попереднього об-
роблення сировини; – з попереднім
обробленням сировини
Рис.14. Сировина після
електроіскрового оброблення та
процесу віброекстрагування
12
екстрагент
шрот
сировина
екстракт
n, c
-1
1
2
3
4
5
6
8
7 Рух тарілки
вниз
Рух тарілки
вверх
1234
5
ментів. З боку більшого гідравлічного опору відкритих елементів 4 встановлено
гнучкі патрубки 5.
Розроблена апаратурно-технологічна схема виробництва хмелевих екст-
рактів безперервної дії представлена на рис.19.
рослинна сировина
екстрагент
вторинна пара
вторинна пара
шротна утилізацію
(виробництво)
гріюча пара
екстракт
на виробництво
1
2
3
4
10
11 5а 5 6
7
9 8
12
13
подрібнена
сировина
гріюча
пара
конденсат
гріюча
пара
конденсат
гріюча
пара
конденсат
сконденсованийекстрагент
шрот
14
Рис.18. Вібротранспортувальний
пристрій:
1 – борт; 2 – тарілка;
3 – фільтрувальний елемент;
4 – сопло; 5 – гнучкий патрубок
Рис.17. Вібраційний екстрактор:
1 – царга; 2 – завантажувальний при-
стрій з воронкою; 3 – шнек; 4 – фільт-
рувальна решітка; 5 –транспортувальна
тарілка; 6 – лоток; 7, 8 – штоки
Рис.19. Апаратурно-технологічна схема виробництва хмельових
екстрактів: 1 – транспортер; 2 – подрібнювач; 3 – дозатор; 4 – відокремлю-
вав; 5 – віброекстрактор; 6 – прес; 7 – дистилятор; 8 – випарний апарат;
9,10 – теплообмінники; 11, 12, 13 – насоси; 14 – конденсатор
13
Проінспектована та очищена від сторонніх речовин рослинна сировина
транспортером 1 через подрібнювач 2 подається на дозатор 3, далі на відокрем-
лювач екстракту 4, куди циркуляційним насосом 11 надходить підігріта до не-
обхідної температури частина суспензії. Частина відокремленого екстракту, що
пройшов крізь пори дугового сита відокремлювача насосом 12 подається на
концентрування на випарний апарат 8 і далі на подальше його використання за
призначенням. З відокремлювача 4 свіжа рослинна сировина, а також та, що зі-
йшла з нього після підігріву подається у завантажувальний пристрій 5а віброек-
страктора 5. Під дією зворотно-поступального руху тарілок віброекстрактора
відбувається розділення суміші твердої та рідкої фаз, що подається через теп-
лообмінник 9 на верхню тарілку віброекстрактора. Проекстрагована сировина
(шрот) з верхньої тарілки віброекстрактора потрапляє на прес 6, звідки насосом
13 відокремлений від шроту екстрагент надходить на теплообмінник 9 і змішу-
ється з свіжим. Віджатий шрот, в разі використання для екстрагування леткого
екстрагента, потрапляє в дистилятор 7 для відокремлення легколеткого компо-
нента і далі направляється для подальшого технологічного використання. Від-
працьована вторинна пара, що містить легколеткий компонент, з дистилятора 7
та випарного апарата 8 конденсується в конденсаторі 14 і далі змішується з сві-
жим екстрагентом у теплообміннику 9.
Розроблена апаратурно-технологічна схема виробництва хмельових екст-
рактів з використанням електророзрядного пристрою СКІФ-140 показана на
рис.20. Використання даної апаратурно-технологічної схеми з попереднім об
робленням сировини дає можливість скоротити час екстрагування сировини
при незмінних якісних показниках отриманого екстракту.
Апаратурно-технологічна схема працює наступним чином. Підготовлена
сировина транспортером 1 надходить до бункера-накопичувача з турнікетним
дозатором 2, звідки рівномірно подається на відокремлювач з дуговим ситом 3,
де змочується екстрактом, що надійшов по циркуляційному контуру через на-
сос 4. Після змочування сировина надходить в завантажувальний пристрій 5 ві-
броекстрактора 7 і штовхачем подається в горизонтальну частину пристрою, де
знаходиться електродна система електророзрядного пристрою СКІФ-140 6. Під
дією електрогідравлічного ефекту, ініційованого високовольтними електроіск-
ровими розрядами, що генеровані електророзрядним пристроєм 6, частково
пошкоджуються оболонки клітин рослинної сировини, що покращує процес ви-
лучення цільових компонентів з неї. Далі сировина надто дить в нижню частину
робочого об’єму віброекстрактора, де і відбувається власне процес екстрагу-
вання. Відпрацьована сировина видаляється з верхньої частини колони апарата
та надходить до преса 8, де з неї видаляють залишки екстрагенту, що насосом 9
повертаються в екстрактор. Готовий екстракт відбирається з нижньої частинки
колони та насосом 4 подається на відокремлювач з дуговим ситом для змочення
14
рослинна сировина
шрот на утилізацію
(виробництво)
екстракт
на виробництво
1
2
3
4 5 7 8
подрібнена
сировина
шрот
екстрагент
6
рослинна сировина
шрот на утилізацію
(виробництво)
екстракт
на виробництво
1
2
3
4 5 7 8
подрібнена
сировина
шрот
екстрагент
6
свіжої сировини, фільтрування. від грубих механічних домішок після чого йде
на виробництво.
Розроблені апаратурно-технологічні схеми за рахунок нових технологіч-
них рішень можуть бути використані також з метою отримання екстрактів фун-
кціонального призначення із рослинної сировини трав’яного та плодово-
ягідного походження з високим ступенем їх подрібнення.
ВИСНОВКИ
1. В результаті проведених досліджень доведено, що активізація міжфа-
зової поверхні при віброекстрагуванні із хмельової сировини забезпечується
генеруванням пульсуючих турбулентних струменів елементами вібротранспор-
тувального пристрою, який створює одночасні механізми перемішування і про-
титечійного розділення фаз.
2. Встановлено, що низькочастотні механічні коливання з частотою до
4Гц не створюють суттєвого поздовжнього перемішування.
3. Розроблена математична модель структури потоків при безперервному
віброекстрагуванні із хмельової сировини для визначення поточної концентра-
Рис.20. Апатурно-технологічна схема виробництва хмельових екс-
трактів з використанням електророзрядного пристрою СКІФ-140:
1 – транспортер; 2 – бункер-накопичувач; 3 – відокремлювач;
4, 9 – насос; 5 – завантажувальний пристрій; 6 – електророзрядний
пристрій СКІФ-140; 7 – віброекстрактор; 8 – прес
15
ції речовини в довільній точці робочої зони апарата, яка може бути основою
для розв’язання оптимізаційних задач.
4. Встановлено оптимальні конструктивні і робочі параметри вібруючого
транспортувального пристрою, які забезпечують ефективний зовнішній масоо-
бмін в умовах вилучення цільових компонентів із хмельової сировини водою та
мають найбільшу транспортувальну здатність з низьким поздовжнім перемішу-
ванням. Ними є: амплітуда коливань А = (10-15)·10-3 м, частота коливань f = 2-
4 Гц, співвідношення еквівалентного діаметра патрубка до еквівалентного діа-
метра відкритого елемента в межах 2-3 та висоти патрубка до його еквівалент-
ного діаметра 1,5-3.
5. Досліджено вплив технологічних параметрів (температури, часу екст-
рагування та гідромодуля) при водяному безперервному віброекстрагуванні, що
підтверджено динамікою накопичення гірких речовин в екстракті.
6. Виявлено, що сировина має незначну руйнацію від знакозмінної дії ві-
бротранспортувальних пристроїв під час безперервного екстрагування, що по-
яснюється еластичністю структури хмельової сировини після замочування в ек-
страгенті. При цьому повна руйнація найбільш міцної структури шишки – пе-
люстків, відбувається в запропонованому режимі віброекстрагування на 60-й
хвилині. Вибраний режим є достатнім для фізичного розпаду хмельової муки-
крихких зерен лупуліну.
7. Доведена ефективність сумісної дії низькочастотних механічних коли-
вань та попереднього електроіскрового оброблення на екстракційну здатність
хмельової сировини. Оптимальними параметрами попереднього електроіскро-
вого оброблення є: кількість розрядів – n = 1, напруга в каналі розряду –
U=30кВ.
8. За одержаними результатами експериментів розроблено нову констру-
кцію вібротранспортувального пристрою підвищеної продуктивності для пере-
роблення хмельової сировини (патент на корисну модель № 27705 від 12.11.07,
Бюл. № 18; патент на винахід № 86485 від 27.04.09, Бюл. №8; патент на корис-
ну модель № 46856 від 11.01.10, Бюл. №1).
9. Розроблено та запропоновано для використання в пивоварній промис-
ловості нові апаратурно-технологічні схеми: безперервного отримання хмельо-
вих екстрактів з віброекстрактором (патент на корисну модель № 51295 від
12.07.10, Бюл. №13) та з попереднім електроіскровим обробленням сировини;
10. Розроблено технічну документацію на виготовлення нової констру-
кцію віброекстрактора підвищеної продуктивності Яготинським машинобудів-
ними заводом.
11. Впроваджено протитечійний віброекстрактор безперервної дії на
Бердичівському пивзаводі.
16
СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Статті у наукових фахових журналах:
1. Зав’ялов В.Л. Особливості віброекстрагування із рослинної сировини
та перспективи його застосування у переробній промисловості / В.Л. Зав’ялов,
Ю.В. Запорожець, Д.В. Барабась // Вібрації в техніці та технологіях: Всеукраїн-
ський науково-технічний журнал. – 2003. – №1 (27). – С. 42–43.
Особистий внесок дисертанта: наукове обґрунтування теоретичних по-
ложень, формулювання висновків та результатів.
2. Ю.В. Запорожець. Дослідження дифузійних властивостей шишково-
го хмелю при виробництві екстрактів / Ю.В. Запорожець, В.Л. Зав’ялов, В.С.
Бодров // Наукові праці Вінницького державного аграрного університету. –
Вінниця, 2006. – № 1. – С. 20–24.
Особистий внесок дисертанта: виконання експериментальної частини
обробка результатів досліджень, підготовка матеріалів до публікації.
3. Зав’ялов В.Л. Дослідження структури реальних потоків в екстракторі
колонного типу з вібруючою системою розділених фаз / В.Л. Зав’ялов, Ю.В.
Запорожець, О.П. Лобок // Наукові праці Одеської національної академії харчо-
вих технологій: зб. наук. праць. – 2008. – № 32. – С. 93–97.
Особистий внесок дисертанта: підбір методик експериментальних до-
сліджень, проведення експериментів, обробка отриманих результатів.
4. Зав’ялов В.Л. Особливості безперервного віброекстрагування цільо-
вих компонентів з хмельової сировини / В.Л. Зав’ялов,Ю.В. Запорожець,О.П.
Лобок // Вібрації в техніці та технологіях: Всеукраїнський науково-технічний
журнал. – 2009. – №3 (55). – С. 98–103.
Особистий внесок дисертанта: наукове обґрунтування теоретичних по-
ложень, виконання експериментальної частини, формулювання висновків та
результатів.
Патенти на корисні моделі та винаходи:
5. Пат. кор.мод. 27705 Україна, МПК6
В 01 D 11/02. Вібраційний екст-
рактор / Зав’ялов В.Л., Запорожець Ю.В., Бодров В.С.; заявник та патентовлас-
ник Національний університет харчових технологій. – № u200707568; заявл.
05.07.07; опубл. 12.11.07, Бюл. № 18.
Особистий внесок здобувача: розроблення конструкції вібраційного екс-
трактора, підготовка матеріалів до публікації.
6. Пат. винах. 86485 Україна, МПК6
В 01 D 11/02. Вібраційний екстрак-
тор / Зав’ялов В.Л., Запорожець Ю.В., Бодров В.С.; заявник та патентовласник
Національний університет харчових технологій. – № а200707563; заявл.
05.07.07; опубл. 27.04.09, Бюл. №8.
17
Особистий внесок здобувача: розроблення конструкції вібраційного екс-
трактора, експериментальна апробація розробки.
7. Пат. кор.мод. 46856 Україна, МПК6
В 01 D 11/02. Вібраційний екст-
рактор / Запорожець Ю.В., Зав’ялов В.Л., Ардинський О.В.; заявник та патенто-
власник Національний університет харчових технологій. – № u200906927; за-
явл. 02.07.09; опубл. 11.01.10, Бюл. №1.
Особистий внесок здобувача: формулювання висновків та результатів.
8. Пат. кор.мод. 51295 Україна, МПК6
В 01 D 11/02. Лінія виробництва
екстрактів із рослинної сировини та її відходів / Запорожець Ю.В., Зав’ялов
В.Л.; заявник та патентовласник Національний університет харчових техноло-
гій. – № u201000522; заявл. 20.01.10; опубл. 12.07.10, Бюл. №13.
Особистий внесок здобувача: формулювання висновків та результатів,
підготовка матеріалів до публікації.
Тези і матеріали наукових конференцій:
9. Застосування віброекстракторів для приготування екстрактів із хме-
лю та іншої сировини / Ю.В. Запорожець, Ю.О. Вакуленко, В.П. Лисенко, В.Л.
Зав’ялов // Матеріали 69-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і
студентів. – Київ: НУХТ, 2003. – С. 145.
Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по-
ложень, виконання експериментальної частини, формулювання висновків та
результатів.
10. Запорожець Ю.В. Аналіз існуючих технологічних схем та апаратур-
ного оформлення виробництва екстрактів із хмелю / Ю.В. Запорожець, В.С. Бо-
дров, В.Л. Зав’ялов // Матеріали 70-ї наукової конференції молодих учених, ас-
пірантів і студентів. – Київ: НУХТ, 2004. – С. 128.
Особистий внесок здобувача: проведено аналіз існуючих технологічних
схем виробництва екстрактів із хмелю.
11. Зав’ялов В.Л. Апаратурно-технологічна схема віброекстрагування
функціональних речовин із хмелю / В.Л. Зав’ялов, Ю.В. Запорожець, В.С. Бод-
ров // Харчова промисловість. Додаток до журналу. – 2004. – №3. – С. 117–118.
Особистий внесок здобувача: розроблення апаратурно-технологічної
схеми віброекстрагування функціональних речовин із хмелю, підготовка мате-
ріалів до публікації.
12. Запорожець Ю.В. Вплив низькочастотних механічних коливань на
процес вилучення цільових компонентів із шишкового хмелю при виробництві
хмельових екстрактів / Ю.В. Запорожець, В.Л. Зав’ялов // Матеріали 71-ї науко-
вої конференції молодих учених, аспірантів і студентів. – Київ: НУХТ, 2005. –
С. 124.
18
Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по-
ложень, виконання експериментальної частини, формулювання висновків та
результатів.
13. Запорожець Ю.В. Дослідження дифузійних властивостей шишкового
хмелю при виробництві екстрактів/ Ю.В. Запорожець, В.Л. Зав’ялов // Матеріа-
ли ІХ Міжнародної науково-технічної конференції. – Київ: НУХТ, 2005. – С.
13–14.
Особистий внесок здобувача: виконання експериментальної частини,
формулювання висновків та результатів.
14. Дослідження структури гідродинамічного потоку в екстракторі з віб-
руючою системою транспортування / Ю.В. Запорожець, Л.В. Герасименко, В.О.
Лемеш [та ін.] // Матеріали 72-ї наукової конференції молодих учених, аспіран-
тів і студентів. – Київ: НУХТ, 2006. – С. 135.
Особистий внесок здобувача: підбір методик для виконання експеримен-
тальної частини, формулювання висновків та результатів.
15. Дослідження гідродинаміки та протитечійного розділення фаз при
віброекстрагування цільових компонентів із шишкового хмелю / О.В. Ардинсь-
кий, С.П. Птуха, Ю.В. Запорожець [та ін.] // Матеріали 73-ї наукової конферен-
ції молодих учених, аспірантів і студентів. Частина ІІ. – Київ: НУХТ, 2007. – С.
145–146.
Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по-
ложень, виконання експериментальної частини, формулювання висновків та
результатів.
16. Дослідження структури потоку в екстракторі колонного типу з віб-
руючою системою транспортування/ О.В. Ардинський, В.Л. Зав’ялов, Ю.В. За-
порожець [та ін.] // Матеріали 74-ї наукової конференції молодих учених, аспі-
рантів і студентів. – Київ: НУХТ, 2008. – С. 383.
Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по-
ложень, виконання експериментальної частини, підготовка матеріалів до пуб-
лікації.
17. Запорожець Ю.В. Особливості структури хмельової сировини та
процесу вилучення з неї цільових компонентів віброектрагуванням / Ю.В. За-
порожець, В.Л. Зав’ялов // Матеріали 75-ї наукової конференції молодих уче-
них, аспірантів і студентів. Частина 3. – Київ: НУХТ, 2009. – С. 382.
Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по-
ложень, формулювання висновків та результатів.
18. Протитечійне розділення фаз при безперервному віброекстрагуванні
із рослинної сировини / Ю.В. Запорожець, О.С. Рушай, В.Л. Зав‘ялов, В.С. Бод-
ров // Матеріали 76-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і студен-
тів. Частина 3. – Київ: НУХТ, 2010. – С.127.
19
Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по-
ложень, оброблення результатів, підготовка матеріалів до друку.
19. Запорожець Ю.В. Моделювання зовнішнього масообміну при віброе-
кстрагуванні із рослинної сировини / Ю.В. Запорожець, В.Л. Зав’ялов // Матері-
али Міжнародної науково-практичної конференції. Частина І. – Київ: НУХТ,
2010. – С. 64.
Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по-
ложень, формулювання висновків та результатів.
20. Закономірності віброекстрагування та перспективи його застосуван-
ня для перероблення рослинної сировини та її відходів / В.Л. Зав’ялов, В.С. Бо-
дров, Ю.В. Запорожець [та ін.] // Матеріали Міжнародної науково-практичної
конференції. Частина І. – Київ: НУХТ, 2010. – С. 64.
Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по-
ложень, формулювання висновків та результатів.
АНОТАЦІЯ
Запорожець Юлія Владиславівна. Інтенсифікація процесу екстрагу-
вання хмелю за допомогою низькочастотних механічних коливань у пиво-
варному виробництві. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за
спеціальністю 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та
фармацевтичних виробництв – Національний університет харчових технологій,
Київ, 2010.
Дисертація присвячена дослідженню інтенсифікуючої дії низькочастот-
них механічних коливань на процес вилучення цільових компонентів із хмельо-
вої сировини при безперервному віброекстрагуванні у пивоварному виробницт-
ві, доцільності використання при цьому інших фізичних ефектів інтенсифікації
процесу, вибору нового віброперемішувального і одночасно вібротранспорту-
вального пристрою і на його основі створенню віброекстрактора підвищеної
продуктивності.
Аналізу сучасного стану виробництва хмельових екстрактів в Україні, та
огляд існуючих конструкцій промислових екстракторів показав перспектив-
ність застосування для цих цілей віброекстракторів безперервної дії.
Встановлено новий ефект протиточного розділення фаз при безперерв-
ному віброекстрагуванні з використанням віброперемішувальних пристроїв
нової конструкції. Встановлено й досліджено режимні параметри роботи віб-
роперемішувального пристрою, що забезпечують безперервне розділення фаз.
Доведена та обґрунтована можливість та ефективність сумісної дії низькочас-
тотних механічних коливань та попереднього електроіскрового оброблення на
20
інтенсифікацію процесу вилучення цільових компонентів з хмельової сирови-
ни. Оцінено структуру гідродинамічного потоку, що створюється вібротранс-
портувальними пристроями, його ступінь відхилення від ідеальної. Розробле-
но нову математичну модель для оцінення рівня поздовжнього перемішування
при неперервному віброекстрагуванні. Обґрунтовано раціональний режим віб-
роекстрагування ізогумулона із хмельової сировини, що забезпечує достатню
продуктивність апарата з низьким повздовжнім перемішуванням.
Виконано ескізний проект віброекстрактора з новим вібротранспортува-
льним пристроєм, здатним забезпечувати ефективне розділення фаз в умовах
протитечійного віброекстрагування цільових компонентів з хмельової сирови-
ни, з можливістю інтенсифікації масообміну та низьким поздовжнім перемішу-
ванням. Обґрунтовано та розроблено нові апаратурно-технологічні схеми виро-
бництва хмельових екстрактів з віброекстрагування та попереднім електроіск-
ровим обробленням хмельової сировини. Результати роботи впроваджено на
Бердичівському пивзаводі.
Ключові слова: екстрагування, низькочастотні механічні коливання, віб-
роекстрагування, інтенсифікація, масоперенесення, хмельова сировина, гідро-
динамічна структура потоку.
АННОТАЦИЯ
Запорожец Юлия Владиславовна. Интенсификация процесса экстра-
гирования хмеля при помощи низкочастотных механических колебаний в
пивоваренном производстве. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук
по специальности 05.18.12 – процессы и оборудование пищевых, микробиоло-
гических и фармацевтических производств – Национальный университет пище-
вых технологий, Киев, 2010.
Диссертация посвящена исследованию интенсифицирующего действия
низкочастотных механических колебаний на процесс извлечения целевых ком-
понентов из хмелевого сырья при непрерывном виброэкстрагировании в пиво-
варенном производстве, целесообразности использования при этом других фи-
зических эффектов интенсификации процесса, выбору нового виброперемеши-
вающего и одновременно вибротранспортирующего устройства и на его основе
созданию виброэкстрактора повышенной производительности.
На основе анализа современного производства хмелевых экстрактов в
Украине, обзора существующих конструкций промышленных экстракторов по-
казана перспективность применения виброэкстракторов непрерывного дейст-
вия.
21
Исследованы диффузионные свойства хмелевого сырья и установлено
влияние на его структуру низкочастотных механических колебаний при виб-
роэкстрагировании. Доказана возможность извлечения необходимой гаммы
целевых компонентов из хмелевого сырья водой при виброэкстрагировании с
обоснованием режимных и технологических параметров процесса. Установ-
лен новый эффект противоточного разделения фаз при непрерывном вибро-
экстрагировании с использованием виброперемешивающих устройств новой
конструкции. Доказана и обоснована возможность и эффективность совмест-
ного воздействия низкочастотных механических колебаний и предварительной
электроискровой обработки на интенсификацию процесса извлечения целевых
компонентов из хмелевого сырья. Оценена структура гидродинамического по-
тока, который создается вибротранспортирующими устройствами, его степень
отклонения от идеальной противоточной схемы вытеснения. Разработана но-
вая математическая модель для оценки уровня продольного перемешивания
при непрерывном виброэкстрагировании. Обоснован рациональный режим
виброэкстрагирования изогумулона из хмелевого сырья, который обеспечивает
достаточную производительность аппарата с низким продольным перемешива-
нием. Получили последующее развитие: моделирование внешнего массообме-
на с помощью модельных образцов сернокислого алюминия в условиях не-
прерывного виброэкстрагирования хмелевого сырья; закономерности обнов-
ления межфазной поверхности при возмущении системы твердое тело – жид-
кость низкочастотными механическими колебаниями при экстрагировании.
Выполнен эскизный проект виброэкстрактора с новым вибротранспорти-
рующим устройством, способным обеспечивать эффективное разделение фаз в
условиях противоточного виброэкстрагирования целевых компонентов из хме-
левого сырья с возможностью интенсификации массообмена и низким про-
дольным перемешиванием. Результаты работы использованы КБ «Яготинский
машиностроительный завод» для разработки технической документации вибро-
экстрактора непрерывного действия для пивоваренной промышленности. При-
ведены практические рекомендации относительно выбора режимных парамет-
ров работы новой конструкции виброэкстрактора для непрерывного извлечения
целевых компонентов из хмелевого сырья. Обоснованы и разработаны новые
аппаратурно-технологические схемы производства хмелевых экстрактов при
виброэкстрагировании и с предварительной электроискровой обработкой хме-
левого сырья. Результаты работы внедрены на Бердичевском пивзаводе.
Ключевые слова: экстрагирование, низкочастотные механические коле-
бания, виброэкстрагирование, интенсификация, массоперенос, хмелевое сырье,
гидродинамическая структура потока.
22
ANNOTATION
Zaporozhets Yuliya Vladislavovna. Intensification of the Process of Ex-
traction of Hop under the Action of Low-Frequency Mechanical Vibrations in
Beer Production. – Manuscript.
Candidate (Ph. D.) Thesis (Technical Sciences) on speciality 05.18.12 – proc-
esses and equipment of food, microbiological and pharmaceutical productions – Na-
tional University of Food Technologies, Kyiv, 2010.
The thesis is devoted to the investigation of the intensifying action of low-
frequency mechanical vibrations of the process of extraction of desired components
from hop raw materials during continuous vibratory extraction in the beer production,
the expediency of using other physical effects of intensification of the process, the
choice of new vibratory mixing and simultaneously vibratory transporting device and
the development of a vibratory extractor of increased output on its base.
On the basis of an analysis of the modern production of hop extracts in Ukraine
and a review of the existing designs of commercial extractors, the prospects of using
continuous vibratory extractors was shown.
A new effect of counterflow phase separation during continuous vibratory extrac-
tion using vibratory mixing devices of new design was detected. The possibility and
efficiency of the joint action of low-frequency mechanical vibrations and preliminary
electric spark treatment on the intensification of the process of extraction of desired
components from hop raw materials was proved and justified. The structure of a hy-
drodynamic flow generated by the vibratory transporting devices and the degree of
deviation of the hydrodynamic flow from the ideal counterflow scheme of displace-
ment were assessed. A new mathematical model for estimating the level of longitudi-
nal mixing during continuous vibratory extraction was developed. A rational regime
of vibratory extraction of isohumulone from the hop raw materials, which provides
the sufficiently high output of the mixer with a low longitudinal mixing was justified.
A conceptual design of the vibratory extractor with a new transporting device,
which can provide efficient separation of phases under conditions of counterflow vi-
bratory extraction of desired components from hop raw materials together, the possi-
bility of intensifying mass exchange and low longitudinal mixing, was elaborated.
New hardware-manufacturing schemes of hop extracts for vibratory extraction with
and without preliminary electric spark treatment of hop raw materials were justified
and developed. The results of the work were introduced at the Berdichev Brewery
Plant.
Keywords: extracting, lowfrequencely mechanical vibrations, vibroextraction,
diffusion, intensification, mass-transfer, hop raw material, hydrodynamic structure of
flow.

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Біотехнології: фармацевтична, промислова, харчова, природоохоронна
Біотехнології: фармацевтична, промислова, харчова, природоохороннаБіотехнології: фармацевтична, промислова, харчова, природоохоронна
Біотехнології: фармацевтична, промислова, харчова, природоохороннаНауково-технічна бібліотека НУХТ
 

Was ist angesagt? (17)

Aref tychkov vv
Aref tychkov vvAref tychkov vv
Aref tychkov vv
 
автореферат тарнополов
автореферат тарнополовавтореферат тарнополов
автореферат тарнополов
 
Теплоенергетика та холодильна техніка
Теплоенергетика та холодильна технікаТеплоенергетика та холодильна техніка
Теплоенергетика та холодильна техніка
 
Біотехнології: фармацевтична, промислова, харчова, природоохоронна
Біотехнології: фармацевтична, промислова, харчова, природоохороннаБіотехнології: фармацевтична, промислова, харчова, природоохоронна
Біотехнології: фармацевтична, промислова, харчова, природоохоронна
 
Стійка енергетика для всіх
Стійка енергетика для всіхСтійка енергетика для всіх
Стійка енергетика для всіх
 
Aref kapitan
Aref kapitanAref kapitan
Aref kapitan
 
Otzyv akel golub
Otzyv akel golubOtzyv akel golub
Otzyv akel golub
 
Aref gricay
Aref gricayAref gricay
Aref gricay
 
Міценко_дисертація
Міценко_дисертаціяМіценко_дисертація
Міценко_дисертація
 
Otzuv oponenta 1
Otzuv oponenta 1Otzuv oponenta 1
Otzuv oponenta 1
 
Zaika dis 2016
Zaika dis 2016Zaika dis 2016
Zaika dis 2016
 
Disser tychkov
Disser tychkovDisser tychkov
Disser tychkov
 
Aref zaika
Aref zaikaAref zaika
Aref zaika
 
Aref akel al_djanabi
Aref akel al_djanabiAref akel al_djanabi
Aref akel al_djanabi
 
Dis lymarenko
Dis lymarenkoDis lymarenko
Dis lymarenko
 
zvit-ndr-2014
zvit-ndr-2014zvit-ndr-2014
zvit-ndr-2014
 
програма фахових випробувань2013 скорочена ф.н.
програма фахових випробувань2013 скорочена ф.н.програма фахових випробувань2013 скорочена ф.н.
програма фахових випробувань2013 скорочена ф.н.
 

Andere mochten auch (16)

Mi amiga alba nubia orozco
Mi amiga alba nubia orozcoMi amiga alba nubia orozco
Mi amiga alba nubia orozco
 
27705
2770527705
27705
 
Hoteles en Puerto Vallarta
Hoteles en Puerto VallartaHoteles en Puerto Vallarta
Hoteles en Puerto Vallarta
 
áNgulos coterminales
áNgulos coterminalesáNgulos coterminales
áNgulos coterminales
 
Hpe 448 class #3
Hpe 448 class #3Hpe 448 class #3
Hpe 448 class #3
 
UniCredit Achievements
UniCredit AchievementsUniCredit Achievements
UniCredit Achievements
 
Crete Coatings
Crete CoatingsCrete Coatings
Crete Coatings
 
Nytt open document presentasjon
Nytt open document presentasjonNytt open document presentasjon
Nytt open document presentasjon
 
Programas para videos conferencias
Programas para videos conferenciasProgramas para videos conferencias
Programas para videos conferencias
 
Letter of recommendation for Dr. Adham Elsayed - from Dr Dominic Venne
Letter of recommendation for Dr. Adham Elsayed - from Dr Dominic VenneLetter of recommendation for Dr. Adham Elsayed - from Dr Dominic Venne
Letter of recommendation for Dr. Adham Elsayed - from Dr Dominic Venne
 
Tennis coaching
Tennis coachingTennis coaching
Tennis coaching
 
El Kino Táchira apagó 21 velitas
El Kino Táchira apagó 21 velitasEl Kino Táchira apagó 21 velitas
El Kino Táchira apagó 21 velitas
 
السيرة الذاتية انجليزي
السيرة الذاتية انجليزيالسيرة الذاتية انجليزي
السيرة الذاتية انجليزي
 
POLFILM ATLASFILM-Side show
POLFILM  ATLASFILM-Side showPOLFILM  ATLASFILM-Side show
POLFILM ATLASFILM-Side show
 
Micro teaching
Micro teachingMicro teaching
Micro teaching
 
Celtic mythology
Celtic mythologyCeltic mythology
Celtic mythology
 

Ähnlich wie Zaporojec uv

Aref наташі
Aref наташіAref наташі
Aref наташіTaras_as
 
Результати моніторингу якості освіти ННІХТБ магістри
Результати моніторингу якості освіти ННІХТБ магістриРезультати моніторингу якості освіти ННІХТБ магістри
Результати моніторингу якості освіти ННІХТБ магістриtetiana1958
 
Фізичні методи досліджень
Фізичні методи дослідженьФізичні методи досліджень
Фізичні методи дослідженьDianaHutsalo
 
Отчет о научной деятельности ЧДТУ за 2011 год
Отчет о научной деятельности ЧДТУ за 2011 годОтчет о научной деятельности ЧДТУ за 2011 год
Отчет о научной деятельности ЧДТУ за 2011 годis1003
 
ІНФОРМАЦІЯ про наукову та науково-технічну діяльність
ІНФОРМАЦІЯ про наукову та науково-технічну діяльністьІНФОРМАЦІЯ про наукову та науково-технічну діяльність
ІНФОРМАЦІЯ про наукову та науково-технічну діяльністьis1003
 
ІКТА
ІКТАІКТА
ІКТАgarasym
 
Презентация ЧНТУ 2016
Презентация ЧНТУ 2016Презентация ЧНТУ 2016
Презентация ЧНТУ 2016is1003
 
доповідь гурток2017
доповідь гурток2017доповідь гурток2017
доповідь гурток2017Bogdan Nastenko
 
dissertation Chepinoga AV
dissertation Chepinoga AVdissertation Chepinoga AV
dissertation Chepinoga AVramcoopersoon
 
Disertation_ChepinogaA
Disertation_ChepinogaADisertation_ChepinogaA
Disertation_ChepinogaAramcoopersoon
 

Ähnlich wie Zaporojec uv (20)

Aref наташі
Aref наташіAref наташі
Aref наташі
 
Результати моніторингу якості освіти ННІХТБ магістри
Результати моніторингу якості освіти ННІХТБ магістриРезультати моніторингу якості освіти ННІХТБ магістри
Результати моніторингу якості освіти ННІХТБ магістри
 
Фізичні методи досліджень
Фізичні методи дослідженьФізичні методи досліджень
Фізичні методи досліджень
 
Пєзоелектричний трансформатор
Пєзоелектричний трансформаторПєзоелектричний трансформатор
Пєзоелектричний трансформатор
 
Отчет о научной деятельности ЧДТУ за 2011 год
Отчет о научной деятельности ЧДТУ за 2011 годОтчет о научной деятельности ЧДТУ за 2011 год
Отчет о научной деятельности ЧДТУ за 2011 год
 
Otzuv oponenta 1
Otzuv oponenta 1Otzuv oponenta 1
Otzuv oponenta 1
 
ІНФОРМАЦІЯ про наукову та науково-технічну діяльність
ІНФОРМАЦІЯ про наукову та науково-технічну діяльністьІНФОРМАЦІЯ про наукову та науково-технічну діяльність
ІНФОРМАЦІЯ про наукову та науково-технічну діяльність
 
ІКТА
ІКТАІКТА
ІКТА
 
Презентация ЧНТУ 2016
Презентация ЧНТУ 2016Презентация ЧНТУ 2016
Презентация ЧНТУ 2016
 
доповідь гурток2017
доповідь гурток2017доповідь гурток2017
доповідь гурток2017
 
dissertation Chepinoga AV
dissertation Chepinoga AVdissertation Chepinoga AV
dissertation Chepinoga AV
 
Aref chikunov
Aref chikunovAref chikunov
Aref chikunov
 
Disertation_ChepinogaA
Disertation_ChepinogaADisertation_ChepinogaA
Disertation_ChepinogaA
 
Food_technology.pdf
Food_technology.pdfFood_technology.pdf
Food_technology.pdf
 
Переробка аграрної продукції в сучасних умовах
Переробка аграрної продукції в сучасних умовахПереробка аграрної продукції в сучасних умовах
Переробка аграрної продукції в сучасних умовах
 
Zvit ndr-2015
Zvit ndr-2015Zvit ndr-2015
Zvit ndr-2015
 
Електроакустичний перетворювач
Електроакустичний перетворювачЕлектроакустичний перетворювач
Електроакустичний перетворювач
 
Сучасне тваринництво: тенденції розвитку
Сучасне тваринництво: тенденції розвиткуСучасне тваринництво: тенденції розвитку
Сучасне тваринництво: тенденції розвитку
 
Dis kapitan
Dis kapitanDis kapitan
Dis kapitan
 
Zvit-2016
Zvit-2016Zvit-2016
Zvit-2016
 

Mehr von Taras_as (20)

99991
9999199991
99991
 
99169
9916999169
99169
 
10
1010
10
 
1722521
17225211722521
1722521
 
1214130
12141301214130
1214130
 
109087
109087109087
109087
 
94942
9494294942
94942
 
92851
9285192851
92851
 
92560
9256092560
92560
 
90802
9080290802
90802
 
86485
8648586485
86485
 
25088
2508825088
25088
 
85435
8543585435
85435
 
46856
4685646856
46856
 
46540
4654046540
46540
 
40166
4016640166
40166
 
25088
2508825088
25088
 
Fisher
FisherFisher
Fisher
 
Laplas
LaplasLaplas
Laplas
 
St'udent
St'udentSt'udent
St'udent
 

Zaporojec uv

  • 1. НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ ЗАПОРОЖЕЦЬ ЮЛІЯ ВЛАДИСЛАВІВНА УДК 664.061.4:084 ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСУ ЕКСТРАГУВАННЯ ХМЕЛЮ ЗА ДОПОМОГОЮ НИЗЬКОЧАСТОТНИХ МЕХАНІЧНИХ КОЛИВАНЬ У ПИВОВАРНОМУ ВИРОБНИЦТВІ 05. 18. 12 - Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидататехнічних наук КИЇВ - 2010
  • 2. Дисертацією є рукопис. Робота виконана в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України. Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Зав’ялов Володимир Леонідович, Національний університет харчових технологій МОН України, м. Київ, доцент кафедри процесів і апаратів хар- чових виробництв та технології консервування Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Мирончук Валерій Григорович, Національний університет харчових технологій МОН України, м. Київ, завідувач кафедри технологічного обла- днання харчових виробництв кандидат технічних наук, доцент кандидат технічних наук, доцент Дячок Василь Володимирович, Національний університет «Львівська політехніка» МОН України, м. Львів, доцент кафедри екології та охорони навколишнього середовища Захист відбудеться «08» грудня 2010 року о 1400 годині на засіданні спеціа- лізованої вченої ради Д 26.058.02 Національного університету харчових техноло- гій за адресою: 01601, м. Київ, вул. Володимирська, 68, аудиторія А – 311. З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету харчових технологій за адресою: 01601, м. Київ, вул. Володимирська, 68 Автореферат розісланий «02» листопада 2010 року. Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент Л.О. Кривопляс-Володіна
  • 3. 1 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність теми. Розвиток харчової промисловості вимагає розв’язання задач, спрямованих на удосконалення екстракційної апаратури та теорії екстрагування. Низька ефективність більшості існуючих способів вилу- чення цільових компонентів із рослинної сировини з високою ступінню її по- дрібнення викликана недосконалістю екстракційної апаратури, оскільки дріб- нофракційна сировина або виготовлена з неї маса не має достатньої пористості для застосування протитечійного безперервного екстрагування. Значна частина поверхні контакту фаз піддається ефекту екранування, від чого втрачає свою активність. Особливо гостро ці питання стоять у пивоварній промисловості, де раціональне використання хмельової сировини визначається досконалістю екс- тракційного обладнання, як фактора, що забезпечує необхідну якість екстракту. Серед багатьох відомих способів інтенсифікації екстрагування є застосу- вання низькочастотних механічних коливань, які реалізуються у найбільш пер- спективних апаратах – віброекстракторах. Стримуючим фактором широкого впровадження їх у промисловість є недостатня вивченість масообмінних і гід- родинамічних характеристик. Тому проведення комплексу теоретичних та екс- периментальних досліджень з метою наукового обґрунтування і розроблення високоефективних апаратів та нових технологій для виробництва хмельових екстрактів є актуальним. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисерта- ційну роботу виконано відповідно пріоритетному напряму наукових дослі- джень НУХТ на 2006 – 2010 рр. «Розроблення наукових основ тепломасообмін- них та інших процесів харчових, мікробіологічних і фармацевтичних вироб- ництв з метою створення нових високоефективних технологій та обладнання, засобів механізації та автоматизації для харчових та переробних галузей АПК» (схвалено Вченою Радою НУХТ протокол №7 від 25.03.2006р.), плану науково- дослідної роботи кафедри процесів і апаратів харчових виробництв та техноло- гії консервування НУХТ за напрямом «Інтенсифікація технологічних процесів у харчовій і мікробіологічній промисловості», тематики ПНДЛ НУХТ «Дослі- дження впливу низькочастотних механічних коливань на інтенсифікацію про- цесу екстрагування із рослинної сировини» (КПКВ 2201020 «Фундаментальні дослідження у вищих навчальних закладах», № державної реєстрації 1006U000418). Автор особисто брала участь у проектуванні і виготовленні вібротранс- портувальних пристроїв, проведенні експериментальних досліджень, оброблен- ні та узагальненні результатів експериментів, розробленні напівпромислового віброекстрактора безперервної дії. Мета і завдання дослідження. Метою роботи є теоретичне і експеримен- тальне дослідження процесу віброекстрагування цільових компонентів із шиш-
  • 4. 2 кового хмелю та створення високоефективного обладнання безперервної дії для отримання хмельових екстрактів. Для розв’язання поставленої мети сформульовано наступні задачі: - вивчити існуючі напрями удосконалення процесу вилучення цільових компонентів із хмельової сировини; - дослідити дифузійні властивості шишкового хмелю та вплив низькочас- тотних механічних коливань на екстрактивні властивості хмельової сиро- вини; - розробити та виготовити експериментальну установку; - дослідити гідродинамічні та масообмінні характеристики роботи віброек- страктора безперервної дії з метою вибору оптимальних конструктивних і робочих параметрів вібруючого транспортувального пристрою; - розробити математичну модель структури потоків при безперервному ві- броекстрагуванні із хмельової сировини; - дослідити ефективність сумісної дії низькочастотних механічних коли- вань та попереднього електроіскрового оброблення на екстракційну здат- ність хмельової сировини; - розробити конструкцію високопродуктивного протитечійного віброекст- рактора безперервної дії; - розробити апаратурно-технологічні схеми виробництва хмелевих екстра- ктів з віброекстрагуванням та попереднім електроіскровим обробленням хмельової сировини. Об’єктом досліджень є процес екстрагування цільових компонентів із шишкового хмелю в умовах впливу низькочастотних механічних коливань. Предметом досліджень є гідродинаміка та масообмін при безперервному віброекстрагуванні цільових компонентів із хмельової сировини. Методи дослідження включають аналітичне моделювання, багатофакто- рні експерименти, дослідження промислового рівня, типові методики визна- чення якісних показників екстракту хмелю. Оброблення експериментальних даних і розрахунки було виконано із застосуванням сучасних інтегрованих сис- тем MathCAD 14, КОМПАС – 3D V11, AutoCAD 2010, CorelDRAW X4 та ін. Наукова новизна одержаних результатів. Досліджено дифузійні влас- тивості хмельової сировини та встановлено вплив на її структуру низькочастот- них механічних коливань; доведено можливість вилучення необхідної гами ці- льових компонентів з хмельової сировини водою при віброекстрагуванні з об- ґрунтуванням режимних параметрів процесу; розроблено нову конструкцію ві- бротранспортувального пристрою та обґрунтовано його геометричні розміри; встановлено новий ефект протитечійного розділення фаз при безперервному ві- броекстрагуванні; доведена та обґрунтована доцільність та ефективність суміс- ної дії низькочастотних механічних коливань і попереднього електроіскрового
  • 5. 3 оброблення та їх вплив на інтенсифікацію процесу вилучення цільових компо- нентів із хмельової сировини; досліджено структуру гідродинамічного потоку та розроблено математичну модель для встановлення рівня поздовжнього пере- мішування при безперервному віброекстрагуванні; обґрунтовано оптимальний режим віброекстрагування ізогумулона із хмельової сировини, що забезпечує високу продуктивність апарата з низьким поздовжнім перемішуванням. Дістали подальший розвиток: моделювання зовнішнього масообміну за допомогою мо- дельних зразків з дифузійним типом розчинення, а також теорія оновлення мі- жфазної поверхні при збуренні системи тверде тіло – рідина низькочастотними механічними коливаннями під час екстрагування. Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і ре- комендацій забезпечена використанням сучасних методик і технічних рішень, математичних методів оброблення експериментальних даних, а саме: викорис- танням метрологічно атестованої вимірювальної техніки і приладів: спектрофо- тометру СФ-46 з довжиною хвилі 275 нм і кварцовими кюветами товщиною по- глинаючого шару 10-2 м; мікроскопу з пристроєм електронної фіксації оптичних сигналів; технічного рефрактометру ИРФ; вагів технічних А500 і аналітичних AD200; контактного термометру ТЛ-5; виконанням хіміко-технічних аналізів вихідної сировини і екстрактів відповідно до Інструкції з техно-хімічного конт- ролю виробництва пива; використанням сучасних аналітичних інтегрованих си- стем MathCAD 14, КОМПАС – 3D V11, AutoCAD 2010. Достовірність результатів досліджень і адекватність розроблених матема- тичних моделей підтверджується результатами промислових випробувань на- півпромислового зразка віброекстрактора хмелю безперервної дії. Практичне значення отриманих результатів. Виконано технічний про- ект та отримано оптимальні режимні параметри роботи віброекстрактора з но- вим вібротранспортувальним пристроєм, здатним забезпечити ефективне розді- лення фаз та низьке поздовжнє перемішування в умовах протитечійного віброе- кстрагування цільових компонентів із хмельової сировини, з метою інтенсифі- кації масообміну (патент на корисну модель № 27705 від 12.11.07, Бюл. № 18; патент на винахід № 86485 від 27.04.09, Бюл. №8; патент на корисну модель № 46856 від 11.01.10, Бюл. №1). Результати роботи використані КБ «Яготинський машинобудівний завод» для розроблення технічної документації на віброекст- рактор безперервної дії для пивоварної промисловості. Розроблені нові апара- турно-технологічні схеми виробництва хмельових екстрактів із використанням віброекстрагування (патент на корисну модель № 51295 від 12.07.10, Бюл. №13) та попереднього електроіскрового оброблення хмельової сировини. Результати роботи впроваджено на Бердичівському пивзаводі. Матеріали дисертаційної роботи доцільно використати в навчальному процесі при підготовці фахівців напряму «Харчова технологія та інженерія» при вивченні дисциплін: «Процеси
  • 6. 4 і апарати харчових виробництв», «Процеси і апарати біотехнологічних вироб- ництв» та «Математичні моделі в розрахунках на ЕОМ». Особистий внесок здобувача полягає у проведенні теоретичних та екс- периментальних досліджень, підборі методик, обробці експериментальних да- них, розробленні математичної моделі, промислових випробуваннях розробле- ної конструкції віброекстрактора безперервної дії, узагальненні результатів та їх публікації. Розроблення технічний проекту напівпромислового зразка віброекстрак- тора та його патентування, аналіз та узагальнення результатів досліджень вико- нано у співавторстві з науковим керівником к.т.н., доц. Зав‘яловим В.Л. Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповіда- лись на наукових конференціях молодих учених, аспірантів і студентів НУХТ (Київ, 2003 – 2010 рр.), 9-й Міжнародній науково-технічній конференції «Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сього- дення і перспективи» (НУХТ, Київ, 2005 р.), 11 Міжнародній науковій конфе- ренції «Удосконалення процесів та обладнання харчових і хімічних вироб- ництв» (Одеса, 2008 р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Стан і перспективи розвитку сучасних технологій і обладнання переробних і харчових виробництв» (Вінниця, 2009 р.), Міжнародній науково-практичній конференції «Новітні технології, обладнання, безпека та якість харчових продуктів: сього- дення та перспективи» (Київ, 2010 р.). Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 20 робіт: 4 статті у фахових виданнях, 3 деклараційні патенти України на корисну модель та 1 на винахід, 12 тез доповідей на наукових конференціях. Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Ос- новний зміст дисертаційної роботи викладено на 124 сторінках, в тому числі 102 рисунка і 9 таблиць; до роботи додається 7 додатків на 61 сторінці. Список використаних літературних джерел містить 162 найменування. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ У вступі обґрунтовано доцільність і актуальність дисертаційної роботи, визначені мета і задачі досліджень. У першому розділі наведено літературний огляд сучасного стану вироб- ництва хмельових екстрактів в Україні, способи їх отримання. Сформульовано припущення про можливість використання води для отримання хмельових екс- трактів при інтенсивному перемішуванні фаз. Глибокий аналіз існуючих конс- трукцій промислових екстракторів показав перспективність застосування віб-
  • 7. 5 роекстракторів безперервної дії, а також напрямки їх удосконалення та сприяв формулюванню задач досліджень. У другому розділі наведено методики досліджень, описано експеримен- тальні установки. Для реалізації задач досліджень було виготовлено дослідну віброекстрак- ційну установку безперервної дії (рис.1). Принцип її роботи такий: екстрагент потрапляє в апарат через пристрій 5, рухається вздовж апарата і після фільтру- вання через сито 7 виводиться через кран 8. Тверда фаза подається через заван- тажувальний пристрій 3, рухається під дією коливального руху тарілок проти- течійно екстрагенту і виводиться через лоток 6. При русі тарілки вниз (рис.2, а) суміш подрібнених шишок хмелю з екст- рагентом витискується через відкриті елементи 2 і потрапляє в патрубок 5. Утворений при цьому факел суміші розширюється до стінок патрубка, а подрі- бнені шишки хмелю ідуть у периферійну зону. На виході з патрубка відбува- ється подальше розширення факела суміші і тверді частки потрапляють за межі патрубка. При русі тарілки вверх (рис.2, б) центральна частина факела суміші, що має найменший вміст твердої фази, змикаючись повертається до відкритого елемента 2 і переходить під тарілку. Оскільки гідравлічний опір відкритих подрібнена рослинна сировна екстрагент екстракт шрот 1 2 3 4 9 7 5 6 8 рух тарілки вниз de H De рух тарілки вверх а) б) 1 2 3 4 5 рух тарілки вниз de H De рух тарілки вверх а) б) 1 2 3 4 5 Рис.1. Схема експериментальної установки: 1 – колона; 2, 3 – вібротранспортуваль- ний та завантажувальний пристрої; 4 – штоки; 5 – колектор; 6 – лоток; 7 – сито; 8 – кран; 9 – вібропривід Рис.2. Схема руху потоків: а) переток середовища у бік твердої фази; б) рух середовища в період фільтрування екстрагента: 1 – транспортувальна тарілка; 2, 5 – відкриті елементи; 3 – гнучкий патрубок; 4 – сітка
  • 8. 6 елементів при переміщенні тарілки вверх більший, ніж при зворотному напря- мі, це дає можливість затримати на тарілці більше твердих частинок хмелю, тобто призводить до їх протитечійного екстрагенту транспортуванню. 1 3 2 4 5 6 регульовий зазор догенератора імпульснихструмів 1 3 2 4 5 6 регульовий зазор догенератора імпульснихструмів Дослідження впливу попере- дньої електроіскрової обробки хмельової сировини перед віброек- страгуванням проводили в розряд- ній камері спеціальної конструкції, зовнішній вигляд якої наведено на рис.3. Напруга в каналі розряду встановлювалась регулюванням за- зору між торами повітряного роз- рядника. Проби обробленої хме- льової сировини відбирались через зливний патрубок із спеціальним краном. У третьому розділі розроблено математичну модель структури по- токів при безперервному віброекстрагуванні з хмельової сировини. Для оцінювання рівня поздовжнього перемішування прийнято комбіновану модель. При цьому апарат умовно поділявся на дві послідовно з’єднані зони з різним механізмом та ступенем перемішування: ідеального пере- мішування (ІП) та ідеального витіснення (ІВ) (рис.4). сировина зона ІП екстрагент шрот екстракт зона ІВ сировина зона ІП екстрагент шрот екстракт зона ІВ Така модель передбачає ідеальне перемішування у завантажувальній час- тині апарата та ідеальне витіснення в робочій зоні апарата, ускладнене поздов- жнім перемішуванням: ( )* 2 2 ,L dS S S dt V c c c u D t x x uì = -ïï í ¶ ¶ ¶ï = - + ï ¶ ¶ ¶î (1) де S та S* – відповідно поточна та рівноважна концентрації речовини в зава- нтажувальному пристрої; t – час; x – змінна координата довжини робочої час- тини апарата; DL – коефіцієнт поздовжнього перемішування; υ, u – відповідно об’ємна та лінійна швидкість потоку; V – об’єм робочої зони апарата. Рис.4. Схема структури потоків у віброекстракторі безперервної дії Рис.3. Зовнішній вигляд електророз- рядної камери: 1 – корпус; 2 – анод; 3 – катод; 4 – патрубок; 5 – кришка; 6 – ізолятор
  • 9. 7 При імпульсному трасуванні робочого потоку зона ІП описується модел- лю: ( ) ( ) ( ) 00 , dS t S t dt S S b ì = -ï í ï =î (2) де /Vb u= – величина еквівалентна оберненому середньому часу перебування трасера в апараті; V – об’єм зони ІП, S0, S(t) – відповідно початкова та поточна концентрації речовини в зоні ІП. Зона ІВ може бути описана наступною крайовою задачею: ( ) ( ) ( ) x txC U x txC D t txC L ¶ ¶ - ¶ ¶ = ¶ ¶ ,,, 2 2 ; Lx ££0 (3) з початковою: ( ),0 0C x = ; 0 x L£ £ та крайовими умовами на лівому ( ) () ( )( )txCtSU x txC DL , , -= ¶ ¶ - при x = 0; (4) та правому кінцях ділянки робочого об’єму апарата: ( ) 0 , = ¶ ¶ x txC при x = L. (5) Розв’язок систем (2) та (3) методом розділення змінних може бути пода- ний у вигляді: ( ) ( ) ( )tRexy A eStxC n t t Pe n n n t t L xPe n 21 1 2 1 2 0 1 2, l-¥ = ÷ ø ö ç è æ - å= , (6) де ( ) ( ) ÷ ø ö ç è æ - - = - 1 1 t t t n n n e t tR bg bg , Pe Pe n n 2 4 l g += , ÷ ø ö ç è æ ++= 4 11 2 PePe A n n l , ( ) ÷ ø ö ç è æ +÷ ø ö ç è æ = L xPe L x xy n n nn l l l sin 2 cos – власна функція однопараметричної дифузій- ної моделі (3) з крайовими умовами (4), (5); 0>n l – корені трансцендентного рівняння: 22 4 4 Pe Pe tg - × = l l l ; L D Lu Pe × = – критерій Пекле, u L t = – середній час пе- ребування трасера в зоні ІВ, L – довжина робочої ділянки. Отримана формула (6) може бути використана для визначення поточної концентрації речовини в довільній точці робочої зони апарата та взята за осно- ву при розв’язанні оптимізаційних задач. Результати дослідження структури потоку в апараті узагальнені кривими відгуку системи на імпульсне збурення (рис.5) – S=f(θ), де /iS C C= та /iq t t= – відповідно безрозмірні концентрація та час. Встановлено, що із зростанням частоти коливань тарілки від 2 до 4 Гц по- здовжнє перемішування збільшується в середньому у 3 рази. Ще більший вплив на перемішування фаз вздовж осі потоку суміші в апараті має амплітуда коли- вань.
  • 10. 8 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Q 10 3 , м 3 /год f, Гц 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 θ S Раціональним режи- мом роботи віброекстрак- тора, що забезпечує необ- хідну продуктивність з мі- німальним ефектом поздо- вжнього перемшування, слід вважати режим з амп- літудою 10·10-3 м та часто- тою коливань до 3 Гц для тарілок з транспортуваль- ними елементами у кілько- сті від 10 до 16 при співвід- ношеннях висоти до діаме- тра гнучких патрубків та діаметра гнучких патрубків до діаметра транспортува- льних елементів відповідно 1,5-3 та 2-3. На даному проміжку спостерігається значне зменшення рівня поздовжнього перемішування, що покращує гідроди- намічну обстановку в апараті (рис.6). Встановлено збільшення транспортуваль- ної здатності тарілок з гнучкими патрубками на хмельовій сировині при амплі- туді коливань 10·10-3 м (рис.7). У четвертому розділі досліджувались дифузійні властивості шишкового хмелю та ефективність дії пульсуючих турбулентних струменів. За дослідними даними побудовано екстракційні криві для різних температур екстрагента. За характером отриманих залежностей (рис.8 та рис.9) процес екстрагування хме- Рис.5. Експериментальні C-криві відгуку сис- теми на імпульсне збурення робочого потоку апарата при частоті коливань вібротранспортувальної системи 3 Гц для амплітуд коливань відповідно: A = 5 мм– А=5·10-3 м; – А=10·10-3 м; – А=15·10-3 м Рис.7. Залежність продуктивності віброекстрактора від частоти коли- вань вібротранспортувального при- строю: хміль; капронова дрібка; бурякова стружка; хміль (тарілка з жорсткими патрубками) Рис.6. Залежність продуктивності віброекстрактора та рівня поздовжнього перемішування від геометрії транспор- тувальних елементів: – f=1 Гц; – f=2 Гц; – f = 3 Гц; – f = 4 Гц; – f=DL 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 DL·10 4 , м2 /с 0 1.25 1.75 2.25 2.75 3.25 3.75 D/d 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 H/D Q·10 3 , м 3 /год DL Pe = 16,837 Pe = 8,405 Pe = 5,715
  • 11. 9 лю у віброекстракторі безперервної дії можна розділити на 2 характерних про- міжки: зростання та спадання значення коефіцієнта дифузії. Зростання молеку- лярної дифузії на першому проміжку до 20 хв пояснюється вилученням цільо- вих компонентів, розташованих у поверхневих шарах сировини (≈ 30% від усіх сухих речовин). Спадання на другому проміжку пояснюється вилученням СР, розташованих у глибині сировини. Розшарування графіків відбувається за ра- хунок зміни умов екранування або зміною активної поверхні твердої фази за частотною характеристикою та гідромодулем. 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 τ, хв D•10 13 , м 2 /с 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 τ, хв Ві Поступове зростання критерію Біо (рис.9) із збільшенням частоти коли- вань свідчить про збільшення швидкості зовнішньої дифузії у порівнянні із швидкістю внутрішньої, яка зумовлена виключно властивостями сировини. Досліджувались ефективність дії пульсуючих турбулентних струменів на модельній сировині (зразки кристалогідрату сірчанокислого алюмінію (А12(SО4)3·18Н2О діаметром 14·10-3 м, висотою 22·10-3 м) із захищеними від розчинення торцями) та амплітудно-частотний вплив на дифузійний процес роз- чинення зразків на різних відстанях від джерела коливань. У цьому випадку кое- фіцієнт масовіддачі практично дорівнює коефіцієнту швидкості процесу розчи- нення (KM) та визначається за формулою: ( ) ( ) 0 0 1 0 2 / 2 / 2 M H G G G K F C C q q t - - + = - , де F0 – початкова площа поверхні розчинення зразка, м2 ; G0 – маса зразка до розчинення, кг; θ – зміна маси зразка за час введення його в апарат і виве- дення з нього, кг; q--= mGG 01 – маса зразка після розчинення, кг; СН і С – відповідно концентрація насичення і концентрація розчинюваної речовини в основній масі розчинника, кг/м3 . Результати досліджень узагальнено у вигляді функціональної залежності Рис.9. Зміна значення критерію Біо в часі при різних частотах коливан- ня вібротранспортувальної системи (q = 20): – f = 2 Гц; – f = 3Гц; – f = 4 Гц. Рис.8. Зміна коефіцієнта дифузії в часі при різних частотах коливання вібротранспортувальної системи (q=20): – f = 2 Гц; – f = 3Гц; – f = 4 Гц.
  • 12. 10 ( )0,5 1,0 / Pr ReД Д ВNu f= для умов дії струменів, генерованих нижньою та сумісною дією верхньої та нижньої тарілок, яка апроксимується відповідними критеріа- льними рівняннями (рис.11). У п’ятому розділі досліджено доцільность попереднього оброблення во- дно-хмельової суспензії електроімпульсними розрядами з метою інтенсифікації процесу віброекстрагування. Вста- новлено раціональний режим прове- дення попередньої обробки хмельо- вої сировини перед віброекстрагу- ванням, при якому вихід цільового продукту із рослинної сировини буде найбільшим (кількість імпульсів – 1; напруга в каналі розряду – 30 кВ). Досліджено сумісний вплив електроіскрової обробки сировини і низькочастотних механічних коли- вань при віброекстрагуванні. З метою візуалізації наслідків руйнації клітини за рахунок сумісної дії електроіскрового оброблення та ни- зькочастотних механічних коливань виконувались мікрофотознімки Nu/Pr 0,5 Nu = 0,0207•Re•Pr0,5 Nu = 0,0092•Re•Pr0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Re Рис.11. Узагальнення експериментальних даних по дослідженню ефективності дії пульсуючих турбулентних струменів з використанням модельної сировини: – дія нижньої тарілки; – сумісна дія нижньої та верхньої тарілок; – зона дії верхньої тарілки Рис.12. Вихідна сировина Рис.13. Сировина після електроіскрового оброблення
  • 13. 11 структури рослинної сировини (рис. 12-14). Рис.14 показує глибоку руйна- цію клітини в результаті сумісної дії попереднього електроіскрового об- роблення сировини та низькочастот- них механічних коливань. Цей ефект скорочує загальний час процесу ви- лучення цільових компотнентів від 40 до 20 хв при незмін них якісних показни- ках екстракту (рис.15, 16). Отриманий ефект підкреслює переваги отримання водноізомеризованого екстракту даним способом, оскільки при цьому можливо отримати комплексний препарат, що містить не тільки водорозчинні гіркі речо- вини, а й весь комплекс речовин, які зазвичай потрапляють в пивне сусло при його охмелінні шишковим хмелем, але з більшим виходом. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 20 30 40 50 60 τ, хв СР, % 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 10 20 30 40 50 60 τ, хв ВГ, од. ЕВС У шостому розділі представлено розроблену конструкцію віброекстрак- тора безперервної дії з протитечійною транспортувальною системою (рис.17). Висока продуктивність віброекстрактора забезпечується за допомогою вібротранспортувального пристрою (рис.18) спеціальної конструкції, який не викликаює пресування та забезпечує поруватість шару рослинної сировини не- залежно від розміру часток. Він оснащений однонаправленими елементами 4, які мають різний гідравлічний опір руху через них середовища у взаємно про- тилежних напрямах і розташованими таким чином, що гідравлічний опір руху середовища у бік вивантаження твердої фази менше, а також протилежно на- правленими ним аналогічними елементами, закритими фільтруючими випук- лими сітками 3, встановленими на стороні меншого гідравлічного опору еле- Рис.16. Зміна величини гіркоти в часі при сумісному впливі попередньої електроіскрової оброб- ки сировини і низькочастотних ме- ханічних коливань на процес віброекстрагування: – сировина з попереднім обробленням; – сировина без попереднього оброблення Рис.15. Вміст сухих речовин в екстракті при сумісному впливі попе- реднього електроіскрового оброблен- ня сировини і низькочастотних меха- нічних коливань при віброекст- рагуванні: – без попереднього об- роблення сировини; – з попереднім обробленням сировини Рис.14. Сировина після електроіскрового оброблення та процесу віброекстрагування
  • 14. 12 екстрагент шрот сировина екстракт n, c -1 1 2 3 4 5 6 8 7 Рух тарілки вниз Рух тарілки вверх 1234 5 ментів. З боку більшого гідравлічного опору відкритих елементів 4 встановлено гнучкі патрубки 5. Розроблена апаратурно-технологічна схема виробництва хмелевих екст- рактів безперервної дії представлена на рис.19. рослинна сировина екстрагент вторинна пара вторинна пара шротна утилізацію (виробництво) гріюча пара екстракт на виробництво 1 2 3 4 10 11 5а 5 6 7 9 8 12 13 подрібнена сировина гріюча пара конденсат гріюча пара конденсат гріюча пара конденсат сконденсованийекстрагент шрот 14 Рис.18. Вібротранспортувальний пристрій: 1 – борт; 2 – тарілка; 3 – фільтрувальний елемент; 4 – сопло; 5 – гнучкий патрубок Рис.17. Вібраційний екстрактор: 1 – царга; 2 – завантажувальний при- стрій з воронкою; 3 – шнек; 4 – фільт- рувальна решітка; 5 –транспортувальна тарілка; 6 – лоток; 7, 8 – штоки Рис.19. Апаратурно-технологічна схема виробництва хмельових екстрактів: 1 – транспортер; 2 – подрібнювач; 3 – дозатор; 4 – відокремлю- вав; 5 – віброекстрактор; 6 – прес; 7 – дистилятор; 8 – випарний апарат; 9,10 – теплообмінники; 11, 12, 13 – насоси; 14 – конденсатор
  • 15. 13 Проінспектована та очищена від сторонніх речовин рослинна сировина транспортером 1 через подрібнювач 2 подається на дозатор 3, далі на відокрем- лювач екстракту 4, куди циркуляційним насосом 11 надходить підігріта до не- обхідної температури частина суспензії. Частина відокремленого екстракту, що пройшов крізь пори дугового сита відокремлювача насосом 12 подається на концентрування на випарний апарат 8 і далі на подальше його використання за призначенням. З відокремлювача 4 свіжа рослинна сировина, а також та, що зі- йшла з нього після підігріву подається у завантажувальний пристрій 5а віброек- страктора 5. Під дією зворотно-поступального руху тарілок віброекстрактора відбувається розділення суміші твердої та рідкої фаз, що подається через теп- лообмінник 9 на верхню тарілку віброекстрактора. Проекстрагована сировина (шрот) з верхньої тарілки віброекстрактора потрапляє на прес 6, звідки насосом 13 відокремлений від шроту екстрагент надходить на теплообмінник 9 і змішу- ється з свіжим. Віджатий шрот, в разі використання для екстрагування леткого екстрагента, потрапляє в дистилятор 7 для відокремлення легколеткого компо- нента і далі направляється для подальшого технологічного використання. Від- працьована вторинна пара, що містить легколеткий компонент, з дистилятора 7 та випарного апарата 8 конденсується в конденсаторі 14 і далі змішується з сві- жим екстрагентом у теплообміннику 9. Розроблена апаратурно-технологічна схема виробництва хмельових екст- рактів з використанням електророзрядного пристрою СКІФ-140 показана на рис.20. Використання даної апаратурно-технологічної схеми з попереднім об робленням сировини дає можливість скоротити час екстрагування сировини при незмінних якісних показниках отриманого екстракту. Апаратурно-технологічна схема працює наступним чином. Підготовлена сировина транспортером 1 надходить до бункера-накопичувача з турнікетним дозатором 2, звідки рівномірно подається на відокремлювач з дуговим ситом 3, де змочується екстрактом, що надійшов по циркуляційному контуру через на- сос 4. Після змочування сировина надходить в завантажувальний пристрій 5 ві- броекстрактора 7 і штовхачем подається в горизонтальну частину пристрою, де знаходиться електродна система електророзрядного пристрою СКІФ-140 6. Під дією електрогідравлічного ефекту, ініційованого високовольтними електроіск- ровими розрядами, що генеровані електророзрядним пристроєм 6, частково пошкоджуються оболонки клітин рослинної сировини, що покращує процес ви- лучення цільових компонентів з неї. Далі сировина надто дить в нижню частину робочого об’єму віброекстрактора, де і відбувається власне процес екстрагу- вання. Відпрацьована сировина видаляється з верхньої частини колони апарата та надходить до преса 8, де з неї видаляють залишки екстрагенту, що насосом 9 повертаються в екстрактор. Готовий екстракт відбирається з нижньої частинки колони та насосом 4 подається на відокремлювач з дуговим ситом для змочення
  • 16. 14 рослинна сировина шрот на утилізацію (виробництво) екстракт на виробництво 1 2 3 4 5 7 8 подрібнена сировина шрот екстрагент 6 рослинна сировина шрот на утилізацію (виробництво) екстракт на виробництво 1 2 3 4 5 7 8 подрібнена сировина шрот екстрагент 6 свіжої сировини, фільтрування. від грубих механічних домішок після чого йде на виробництво. Розроблені апаратурно-технологічні схеми за рахунок нових технологіч- них рішень можуть бути використані також з метою отримання екстрактів фун- кціонального призначення із рослинної сировини трав’яного та плодово- ягідного походження з високим ступенем їх подрібнення. ВИСНОВКИ 1. В результаті проведених досліджень доведено, що активізація міжфа- зової поверхні при віброекстрагуванні із хмельової сировини забезпечується генеруванням пульсуючих турбулентних струменів елементами вібротранспор- тувального пристрою, який створює одночасні механізми перемішування і про- титечійного розділення фаз. 2. Встановлено, що низькочастотні механічні коливання з частотою до 4Гц не створюють суттєвого поздовжнього перемішування. 3. Розроблена математична модель структури потоків при безперервному віброекстрагуванні із хмельової сировини для визначення поточної концентра- Рис.20. Апатурно-технологічна схема виробництва хмельових екс- трактів з використанням електророзрядного пристрою СКІФ-140: 1 – транспортер; 2 – бункер-накопичувач; 3 – відокремлювач; 4, 9 – насос; 5 – завантажувальний пристрій; 6 – електророзрядний пристрій СКІФ-140; 7 – віброекстрактор; 8 – прес
  • 17. 15 ції речовини в довільній точці робочої зони апарата, яка може бути основою для розв’язання оптимізаційних задач. 4. Встановлено оптимальні конструктивні і робочі параметри вібруючого транспортувального пристрою, які забезпечують ефективний зовнішній масоо- бмін в умовах вилучення цільових компонентів із хмельової сировини водою та мають найбільшу транспортувальну здатність з низьким поздовжнім перемішу- ванням. Ними є: амплітуда коливань А = (10-15)·10-3 м, частота коливань f = 2- 4 Гц, співвідношення еквівалентного діаметра патрубка до еквівалентного діа- метра відкритого елемента в межах 2-3 та висоти патрубка до його еквівалент- ного діаметра 1,5-3. 5. Досліджено вплив технологічних параметрів (температури, часу екст- рагування та гідромодуля) при водяному безперервному віброекстрагуванні, що підтверджено динамікою накопичення гірких речовин в екстракті. 6. Виявлено, що сировина має незначну руйнацію від знакозмінної дії ві- бротранспортувальних пристроїв під час безперервного екстрагування, що по- яснюється еластичністю структури хмельової сировини після замочування в ек- страгенті. При цьому повна руйнація найбільш міцної структури шишки – пе- люстків, відбувається в запропонованому режимі віброекстрагування на 60-й хвилині. Вибраний режим є достатнім для фізичного розпаду хмельової муки- крихких зерен лупуліну. 7. Доведена ефективність сумісної дії низькочастотних механічних коли- вань та попереднього електроіскрового оброблення на екстракційну здатність хмельової сировини. Оптимальними параметрами попереднього електроіскро- вого оброблення є: кількість розрядів – n = 1, напруга в каналі розряду – U=30кВ. 8. За одержаними результатами експериментів розроблено нову констру- кцію вібротранспортувального пристрою підвищеної продуктивності для пере- роблення хмельової сировини (патент на корисну модель № 27705 від 12.11.07, Бюл. № 18; патент на винахід № 86485 від 27.04.09, Бюл. №8; патент на корис- ну модель № 46856 від 11.01.10, Бюл. №1). 9. Розроблено та запропоновано для використання в пивоварній промис- ловості нові апаратурно-технологічні схеми: безперервного отримання хмельо- вих екстрактів з віброекстрактором (патент на корисну модель № 51295 від 12.07.10, Бюл. №13) та з попереднім електроіскровим обробленням сировини; 10. Розроблено технічну документацію на виготовлення нової констру- кцію віброекстрактора підвищеної продуктивності Яготинським машинобудів- ними заводом. 11. Впроваджено протитечійний віброекстрактор безперервної дії на Бердичівському пивзаводі.
  • 18. 16 СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ Статті у наукових фахових журналах: 1. Зав’ялов В.Л. Особливості віброекстрагування із рослинної сировини та перспективи його застосування у переробній промисловості / В.Л. Зав’ялов, Ю.В. Запорожець, Д.В. Барабась // Вібрації в техніці та технологіях: Всеукраїн- ський науково-технічний журнал. – 2003. – №1 (27). – С. 42–43. Особистий внесок дисертанта: наукове обґрунтування теоретичних по- ложень, формулювання висновків та результатів. 2. Ю.В. Запорожець. Дослідження дифузійних властивостей шишково- го хмелю при виробництві екстрактів / Ю.В. Запорожець, В.Л. Зав’ялов, В.С. Бодров // Наукові праці Вінницького державного аграрного університету. – Вінниця, 2006. – № 1. – С. 20–24. Особистий внесок дисертанта: виконання експериментальної частини обробка результатів досліджень, підготовка матеріалів до публікації. 3. Зав’ялов В.Л. Дослідження структури реальних потоків в екстракторі колонного типу з вібруючою системою розділених фаз / В.Л. Зав’ялов, Ю.В. Запорожець, О.П. Лобок // Наукові праці Одеської національної академії харчо- вих технологій: зб. наук. праць. – 2008. – № 32. – С. 93–97. Особистий внесок дисертанта: підбір методик експериментальних до- сліджень, проведення експериментів, обробка отриманих результатів. 4. Зав’ялов В.Л. Особливості безперервного віброекстрагування цільо- вих компонентів з хмельової сировини / В.Л. Зав’ялов,Ю.В. Запорожець,О.П. Лобок // Вібрації в техніці та технологіях: Всеукраїнський науково-технічний журнал. – 2009. – №3 (55). – С. 98–103. Особистий внесок дисертанта: наукове обґрунтування теоретичних по- ложень, виконання експериментальної частини, формулювання висновків та результатів. Патенти на корисні моделі та винаходи: 5. Пат. кор.мод. 27705 Україна, МПК6 В 01 D 11/02. Вібраційний екст- рактор / Зав’ялов В.Л., Запорожець Ю.В., Бодров В.С.; заявник та патентовлас- ник Національний університет харчових технологій. – № u200707568; заявл. 05.07.07; опубл. 12.11.07, Бюл. № 18. Особистий внесок здобувача: розроблення конструкції вібраційного екс- трактора, підготовка матеріалів до публікації. 6. Пат. винах. 86485 Україна, МПК6 В 01 D 11/02. Вібраційний екстрак- тор / Зав’ялов В.Л., Запорожець Ю.В., Бодров В.С.; заявник та патентовласник Національний університет харчових технологій. – № а200707563; заявл. 05.07.07; опубл. 27.04.09, Бюл. №8.
  • 19. 17 Особистий внесок здобувача: розроблення конструкції вібраційного екс- трактора, експериментальна апробація розробки. 7. Пат. кор.мод. 46856 Україна, МПК6 В 01 D 11/02. Вібраційний екст- рактор / Запорожець Ю.В., Зав’ялов В.Л., Ардинський О.В.; заявник та патенто- власник Національний університет харчових технологій. – № u200906927; за- явл. 02.07.09; опубл. 11.01.10, Бюл. №1. Особистий внесок здобувача: формулювання висновків та результатів. 8. Пат. кор.мод. 51295 Україна, МПК6 В 01 D 11/02. Лінія виробництва екстрактів із рослинної сировини та її відходів / Запорожець Ю.В., Зав’ялов В.Л.; заявник та патентовласник Національний університет харчових техноло- гій. – № u201000522; заявл. 20.01.10; опубл. 12.07.10, Бюл. №13. Особистий внесок здобувача: формулювання висновків та результатів, підготовка матеріалів до публікації. Тези і матеріали наукових конференцій: 9. Застосування віброекстракторів для приготування екстрактів із хме- лю та іншої сировини / Ю.В. Запорожець, Ю.О. Вакуленко, В.П. Лисенко, В.Л. Зав’ялов // Матеріали 69-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів. – Київ: НУХТ, 2003. – С. 145. Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по- ложень, виконання експериментальної частини, формулювання висновків та результатів. 10. Запорожець Ю.В. Аналіз існуючих технологічних схем та апаратур- ного оформлення виробництва екстрактів із хмелю / Ю.В. Запорожець, В.С. Бо- дров, В.Л. Зав’ялов // Матеріали 70-ї наукової конференції молодих учених, ас- пірантів і студентів. – Київ: НУХТ, 2004. – С. 128. Особистий внесок здобувача: проведено аналіз існуючих технологічних схем виробництва екстрактів із хмелю. 11. Зав’ялов В.Л. Апаратурно-технологічна схема віброекстрагування функціональних речовин із хмелю / В.Л. Зав’ялов, Ю.В. Запорожець, В.С. Бод- ров // Харчова промисловість. Додаток до журналу. – 2004. – №3. – С. 117–118. Особистий внесок здобувача: розроблення апаратурно-технологічної схеми віброекстрагування функціональних речовин із хмелю, підготовка мате- ріалів до публікації. 12. Запорожець Ю.В. Вплив низькочастотних механічних коливань на процес вилучення цільових компонентів із шишкового хмелю при виробництві хмельових екстрактів / Ю.В. Запорожець, В.Л. Зав’ялов // Матеріали 71-ї науко- вої конференції молодих учених, аспірантів і студентів. – Київ: НУХТ, 2005. – С. 124.
  • 20. 18 Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по- ложень, виконання експериментальної частини, формулювання висновків та результатів. 13. Запорожець Ю.В. Дослідження дифузійних властивостей шишкового хмелю при виробництві екстрактів/ Ю.В. Запорожець, В.Л. Зав’ялов // Матеріа- ли ІХ Міжнародної науково-технічної конференції. – Київ: НУХТ, 2005. – С. 13–14. Особистий внесок здобувача: виконання експериментальної частини, формулювання висновків та результатів. 14. Дослідження структури гідродинамічного потоку в екстракторі з віб- руючою системою транспортування / Ю.В. Запорожець, Л.В. Герасименко, В.О. Лемеш [та ін.] // Матеріали 72-ї наукової конференції молодих учених, аспіран- тів і студентів. – Київ: НУХТ, 2006. – С. 135. Особистий внесок здобувача: підбір методик для виконання експеримен- тальної частини, формулювання висновків та результатів. 15. Дослідження гідродинаміки та протитечійного розділення фаз при віброекстрагування цільових компонентів із шишкового хмелю / О.В. Ардинсь- кий, С.П. Птуха, Ю.В. Запорожець [та ін.] // Матеріали 73-ї наукової конферен- ції молодих учених, аспірантів і студентів. Частина ІІ. – Київ: НУХТ, 2007. – С. 145–146. Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по- ложень, виконання експериментальної частини, формулювання висновків та результатів. 16. Дослідження структури потоку в екстракторі колонного типу з віб- руючою системою транспортування/ О.В. Ардинський, В.Л. Зав’ялов, Ю.В. За- порожець [та ін.] // Матеріали 74-ї наукової конференції молодих учених, аспі- рантів і студентів. – Київ: НУХТ, 2008. – С. 383. Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по- ложень, виконання експериментальної частини, підготовка матеріалів до пуб- лікації. 17. Запорожець Ю.В. Особливості структури хмельової сировини та процесу вилучення з неї цільових компонентів віброектрагуванням / Ю.В. За- порожець, В.Л. Зав’ялов // Матеріали 75-ї наукової конференції молодих уче- них, аспірантів і студентів. Частина 3. – Київ: НУХТ, 2009. – С. 382. Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по- ложень, формулювання висновків та результатів. 18. Протитечійне розділення фаз при безперервному віброекстрагуванні із рослинної сировини / Ю.В. Запорожець, О.С. Рушай, В.Л. Зав‘ялов, В.С. Бод- ров // Матеріали 76-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і студен- тів. Частина 3. – Київ: НУХТ, 2010. – С.127.
  • 21. 19 Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по- ложень, оброблення результатів, підготовка матеріалів до друку. 19. Запорожець Ю.В. Моделювання зовнішнього масообміну при віброе- кстрагуванні із рослинної сировини / Ю.В. Запорожець, В.Л. Зав’ялов // Матері- али Міжнародної науково-практичної конференції. Частина І. – Київ: НУХТ, 2010. – С. 64. Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по- ложень, формулювання висновків та результатів. 20. Закономірності віброекстрагування та перспективи його застосуван- ня для перероблення рослинної сировини та її відходів / В.Л. Зав’ялов, В.С. Бо- дров, Ю.В. Запорожець [та ін.] // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції. Частина І. – Київ: НУХТ, 2010. – С. 64. Особистий внесок здобувача: наукове обґрунтування теоретичних по- ложень, формулювання висновків та результатів. АНОТАЦІЯ Запорожець Юлія Владиславівна. Інтенсифікація процесу екстрагу- вання хмелю за допомогою низькочастотних механічних коливань у пиво- варному виробництві. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв – Національний університет харчових технологій, Київ, 2010. Дисертація присвячена дослідженню інтенсифікуючої дії низькочастот- них механічних коливань на процес вилучення цільових компонентів із хмельо- вої сировини при безперервному віброекстрагуванні у пивоварному виробницт- ві, доцільності використання при цьому інших фізичних ефектів інтенсифікації процесу, вибору нового віброперемішувального і одночасно вібротранспорту- вального пристрою і на його основі створенню віброекстрактора підвищеної продуктивності. Аналізу сучасного стану виробництва хмельових екстрактів в Україні, та огляд існуючих конструкцій промислових екстракторів показав перспектив- ність застосування для цих цілей віброекстракторів безперервної дії. Встановлено новий ефект протиточного розділення фаз при безперерв- ному віброекстрагуванні з використанням віброперемішувальних пристроїв нової конструкції. Встановлено й досліджено режимні параметри роботи віб- роперемішувального пристрою, що забезпечують безперервне розділення фаз. Доведена та обґрунтована можливість та ефективність сумісної дії низькочас- тотних механічних коливань та попереднього електроіскрового оброблення на
  • 22. 20 інтенсифікацію процесу вилучення цільових компонентів з хмельової сирови- ни. Оцінено структуру гідродинамічного потоку, що створюється вібротранс- портувальними пристроями, його ступінь відхилення від ідеальної. Розробле- но нову математичну модель для оцінення рівня поздовжнього перемішування при неперервному віброекстрагуванні. Обґрунтовано раціональний режим віб- роекстрагування ізогумулона із хмельової сировини, що забезпечує достатню продуктивність апарата з низьким повздовжнім перемішуванням. Виконано ескізний проект віброекстрактора з новим вібротранспортува- льним пристроєм, здатним забезпечувати ефективне розділення фаз в умовах протитечійного віброекстрагування цільових компонентів з хмельової сирови- ни, з можливістю інтенсифікації масообміну та низьким поздовжнім перемішу- ванням. Обґрунтовано та розроблено нові апаратурно-технологічні схеми виро- бництва хмельових екстрактів з віброекстрагування та попереднім електроіск- ровим обробленням хмельової сировини. Результати роботи впроваджено на Бердичівському пивзаводі. Ключові слова: екстрагування, низькочастотні механічні коливання, віб- роекстрагування, інтенсифікація, масоперенесення, хмельова сировина, гідро- динамічна структура потоку. АННОТАЦИЯ Запорожец Юлия Владиславовна. Интенсификация процесса экстра- гирования хмеля при помощи низкочастотных механических колебаний в пивоваренном производстве. – Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 – процессы и оборудование пищевых, микробиоло- гических и фармацевтических производств – Национальный университет пище- вых технологий, Киев, 2010. Диссертация посвящена исследованию интенсифицирующего действия низкочастотных механических колебаний на процесс извлечения целевых ком- понентов из хмелевого сырья при непрерывном виброэкстрагировании в пиво- варенном производстве, целесообразности использования при этом других фи- зических эффектов интенсификации процесса, выбору нового виброперемеши- вающего и одновременно вибротранспортирующего устройства и на его основе созданию виброэкстрактора повышенной производительности. На основе анализа современного производства хмелевых экстрактов в Украине, обзора существующих конструкций промышленных экстракторов по- казана перспективность применения виброэкстракторов непрерывного дейст- вия.
  • 23. 21 Исследованы диффузионные свойства хмелевого сырья и установлено влияние на его структуру низкочастотных механических колебаний при виб- роэкстрагировании. Доказана возможность извлечения необходимой гаммы целевых компонентов из хмелевого сырья водой при виброэкстрагировании с обоснованием режимных и технологических параметров процесса. Установ- лен новый эффект противоточного разделения фаз при непрерывном вибро- экстрагировании с использованием виброперемешивающих устройств новой конструкции. Доказана и обоснована возможность и эффективность совмест- ного воздействия низкочастотных механических колебаний и предварительной электроискровой обработки на интенсификацию процесса извлечения целевых компонентов из хмелевого сырья. Оценена структура гидродинамического по- тока, который создается вибротранспортирующими устройствами, его степень отклонения от идеальной противоточной схемы вытеснения. Разработана но- вая математическая модель для оценки уровня продольного перемешивания при непрерывном виброэкстрагировании. Обоснован рациональный режим виброэкстрагирования изогумулона из хмелевого сырья, который обеспечивает достаточную производительность аппарата с низким продольным перемешива- нием. Получили последующее развитие: моделирование внешнего массообме- на с помощью модельных образцов сернокислого алюминия в условиях не- прерывного виброэкстрагирования хмелевого сырья; закономерности обнов- ления межфазной поверхности при возмущении системы твердое тело – жид- кость низкочастотными механическими колебаниями при экстрагировании. Выполнен эскизный проект виброэкстрактора с новым вибротранспорти- рующим устройством, способным обеспечивать эффективное разделение фаз в условиях противоточного виброэкстрагирования целевых компонентов из хме- левого сырья с возможностью интенсификации массообмена и низким про- дольным перемешиванием. Результаты работы использованы КБ «Яготинский машиностроительный завод» для разработки технической документации вибро- экстрактора непрерывного действия для пивоваренной промышленности. При- ведены практические рекомендации относительно выбора режимных парамет- ров работы новой конструкции виброэкстрактора для непрерывного извлечения целевых компонентов из хмелевого сырья. Обоснованы и разработаны новые аппаратурно-технологические схемы производства хмелевых экстрактов при виброэкстрагировании и с предварительной электроискровой обработкой хме- левого сырья. Результаты работы внедрены на Бердичевском пивзаводе. Ключевые слова: экстрагирование, низкочастотные механические коле- бания, виброэкстрагирование, интенсификация, массоперенос, хмелевое сырье, гидродинамическая структура потока.
  • 24. 22 ANNOTATION Zaporozhets Yuliya Vladislavovna. Intensification of the Process of Ex- traction of Hop under the Action of Low-Frequency Mechanical Vibrations in Beer Production. – Manuscript. Candidate (Ph. D.) Thesis (Technical Sciences) on speciality 05.18.12 – proc- esses and equipment of food, microbiological and pharmaceutical productions – Na- tional University of Food Technologies, Kyiv, 2010. The thesis is devoted to the investigation of the intensifying action of low- frequency mechanical vibrations of the process of extraction of desired components from hop raw materials during continuous vibratory extraction in the beer production, the expediency of using other physical effects of intensification of the process, the choice of new vibratory mixing and simultaneously vibratory transporting device and the development of a vibratory extractor of increased output on its base. On the basis of an analysis of the modern production of hop extracts in Ukraine and a review of the existing designs of commercial extractors, the prospects of using continuous vibratory extractors was shown. A new effect of counterflow phase separation during continuous vibratory extrac- tion using vibratory mixing devices of new design was detected. The possibility and efficiency of the joint action of low-frequency mechanical vibrations and preliminary electric spark treatment on the intensification of the process of extraction of desired components from hop raw materials was proved and justified. The structure of a hy- drodynamic flow generated by the vibratory transporting devices and the degree of deviation of the hydrodynamic flow from the ideal counterflow scheme of displace- ment were assessed. A new mathematical model for estimating the level of longitudi- nal mixing during continuous vibratory extraction was developed. A rational regime of vibratory extraction of isohumulone from the hop raw materials, which provides the sufficiently high output of the mixer with a low longitudinal mixing was justified. A conceptual design of the vibratory extractor with a new transporting device, which can provide efficient separation of phases under conditions of counterflow vi- bratory extraction of desired components from hop raw materials together, the possi- bility of intensifying mass exchange and low longitudinal mixing, was elaborated. New hardware-manufacturing schemes of hop extracts for vibratory extraction with and without preliminary electric spark treatment of hop raw materials were justified and developed. The results of the work were introduced at the Berdichev Brewery Plant. Keywords: extracting, lowfrequencely mechanical vibrations, vibroextraction, diffusion, intensification, mass-transfer, hop raw material, hydrodynamic structure of flow.