Мониторинг ферропримесей и совершенствование методов их извлечения в технологии переработки злаковых, крупяных и других продуктов

Актуальность работы. Последствием переработки злаковых, бобовых культур, крупяных и других продуктов являются ферропримеси, образующиеся вследствие износа и коррозии оборудования, а также после его ремонта и обслуживания. Своевременный и объективный контроль этих ферропримесей, их эффективное удаление являются одной из актуальных задач в решении проблем обеспечения экологичности и безопасности пищевых систем, что в соответствии с «Доктриной продовольственной безопасности.» входит в принципиальную стратегию государственной политики.

Постоянное наличие этих примесей в пищевых продуктах, (мука, крупа, какао, сахар, чай и многих других) зачастую повышенное, не позволяет квалифицировать эти продукты как экологически чистые и безопасные для здоровья. К тому же такие примеси дестабилизируют работу, оборудованиявызывая повреждения, повышенный износ его элементов, а также способствуют опасному искрообразованию (в частности при размоле муки), способному спровоцировать разрушительный взрыв.

Все это говорит о том, что «фактор ферропримесей» — начиная с необходимости получения достоверной информации о содержании таких примесей (их размерах, дисперсном составе, концентрации) и заканчивая разработкой технико-технологических решений по их эффективному удалению — обязан входить в число ключевых вопросов технологии переработки злаковых, крупяных, бобовых и других пищевых сред.

Вместе с тем, в настоящее время существующие методы контроля ферропримесей не обеспечивают получение объективных результатов: показатели, полученные методами, регламентируемыми действующими ГОСТами, существенно занижены по сравнению с реальными. А из-за отсутствия соответствующих характеристик (свидетельствующих об особенностях силового воздействия на феррочастицы) продолжает оставаться недостаточным и уровень технико-технологической проработки магнитных сепараторов (как отечественных, так и импортных), потребность в которых для оснащения и переоснащения различных линий технологической переработки зерновых, крупяных и других пищевых сред неуклонно возрастает.

Цель и основные задачи исследования. Целью настоящей работы явилась разработка прецизионного способа контроля содержания ферропримесей (металломагнитных примесей) в муке, крупе и других продуктах, разработка объективного подхода к анализу размеров ферропримесей на соответствие их фактических размеров нормативным требованиям, а также получение достоверных диагностических характеристик (с выявлением пассивных зон) магнитных сепараторов, предназначенных для удаления ферропримесей.

В связи с этим в работе решаются следующие основные задачи:

1. Посредством как обычных (количественных), так и объемно-долевых гистограмм провести мониторинг ферропримесей пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других сред, в том числе проверку на соответствие установленным нормам по размерам. Оценить истинный вклад феррочастиц определенных размеров в их концентрацию.

2. Проанализировать регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в пищевых средах, разработать более объективный метод контроля, расширив число операций магнитофоретического извлечения ферропримесей из пищевых сред, практикуя функциональное представление пооперационной массы извлекаемых ферропримесей от порядкового номера операции — для получения возможности последующей экстраполяции получаемых зависимостей и нахождения совокупной массы и концентрации ферропримесей. Показать наличие существенной доли остаточного (ранее в лабораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого и игнорируемого) содержания ферропримесей и тем самым обосновать необходимость его учета. Оценить погрешность для случая проведения ограниченного числа операций (в сравнении с данными, получаемыми с учетом оценки остаточного содержания ферропримесей).

3. Получить данные по влиянию угла наклона желоба (используемого в механических устройствах контроля ферропримесей, например, приборах типа ПВФ) на величину препятствующей магнитному захвату кинетической энергии потока анализируемой среды.

4. С использованием типичного модуля магнитного сепаратора, состоящего из противостоящих магнитных элементов, получить и проанализировать соответствующие развернутые характеристики индукции поля (при обязательной визуализации силовых линий магнитной индукции), в том числе с использованием принципа суперпозиции. Найти также развернутые характеристики ее градиента и магнитного силового фактора (как наиболее объективной, по существу — арбитражной, характеристики). На примере детализированной характеристики индукции выявить те ее особенности, которые бы позволяли напрямую (до получения данных силового фактора) идентифицировать пассивные зоны.

5. Разработать и осуществить промышленную апробацию методов и средств контроля ферропримесей, а также опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов для их удаления из злаковых, крупяных и других продуктов (и тем самым повышения их качества и безопасности).

Научная новизна работы.

Посредством объемно-долевых гистограмм осуществлен мониторинг ферропримесей (металломагнитных примесей) пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других продуктов, в том числе контроль на соответствие их фактических размеров нормативным требованиям.

Разработан прецизионный метод контроля содержания ферропримесей, основанный на их неоднократном магнитофоретическом извлечении. В т.ч.: — получены опытные данные масс осадка ферропримесей пищевых систем, предложено представлять эти данные в виде функциональной зависимости пооперационных масс от порядкового номера операции магнитофореза — с установлением ее аналитического (экспоненциального) вида;

— на основании объективной экстраполяции такой зависимости впервые получены выражения для оценки любой операционной, постоперационной и совокупной (с учетом остаточной) массы ферропримесей;

— по полученным выражениям и необходимым контрольным экспериментальным данным найдены истинные значения содержания ферропримесей в пробах муки, манной крупы и других пищевых сред.

Исследованиями, выполненными на модуле магнитного сепаратора (с визуализацией хода магнитных силовых линий), получены развернутые «пошаговые» характеристики индукции поля (в том числе найденные с использованием принципа суперпозиции), развернутые характеристики ее градиента и силового фактора. Впервые предложен подход к получению развернутой информации о потенциальных возможностях модуля сепаратора, в том числе информации о его пассивных зонах. Предложен и реализован также несколько упрощенный, оперативный подход, основанный на детализации характеристик индукции в модуле — с выявлением функциональных особенностей линеаризованных в полулогарифмических координатах «участков» этих характеристик и, как следствие, выявлением пассивных зон.

Практическая ценность работы.

Для многочисленных пищевых систем (пшеничная и ржаная мука, манная и кукурузная крупа, какао-порошок и др.) на основании объемно-долевых гистограмм показан фактический вклад феррочастиц определенных размеров в их концентрацию.

Критически проанализированы регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в муке, крупе и других продуктах, основанные на проведении кратных (как правило, трехкратных) операций маг-нитофоретического накопления ферропримесей и использовании механических средств с неоправданно большими углами наклона рабочих желобов.

Путем измерения и соответствующего представления пооперационных масс осадка ферропримесей показано наличие существенной доли остаточного (ранее в лабораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого) содержания ферропримесей.

В соответствии с разработанным методом контроля найдены истинные значения массы и концентрации ферропримесей в пшеничной и ржаной муке, манной крупе и др. Оценена погрешность определения содержания ферропримесей при проведении ограниченного (регламентируемого) числа операций магнитофоретического накопления ферропримесей, которая в известной мере компрометирует официальную (основывающуюся на традиционных методах контроля) информацию о присутствии ферропримесей в пищевых средах, в том числе поступающих в розницу.

По выявленному стремительному росту кинетической энергии потока анализируемой среды (в зоне магнитного захвата) в зависимости от угланаклона желоба показано, что практикующийся- «свободный» выбор угла наклона рабочего желоба в механических устройствах контроля ферропримесей (например, приборы типа ПВФ) неправомочен.

Исследованиями показано, что:

— для получения объективных характеристик магнитного поля в рабочей зоне магнитного сепаратора (прежде всего, для правильного текущего позиционирования измерительного датчика) исключительно необходимой является предварительная искусственная визуализация силовых линий магнитной индукции;

— полноправными характеристиками работоспособности магнитных сепараторов являются характеристики силового фактора, а характеристики индукции поля — лишь в случае их кусочной линеаризации (в полулогарифмических координатах): с выявлением пассивных зон.

Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и средств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов (на пищевых предприятиях — 16 аппаратов) для удаления ферропримесей из злаковых, крупяных и других продуктов и тем самым — для повышения их качества и безопасности.

Апробация работы, внедрения, публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 работ (в т.ч. патенты РФ на изобретение и полезную модель). Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практическом семинаре при МГУПП по актуальным вопросам продовольственной безопасности (2010), на научно-практических семинарах в рамках выставки «Зерно-комбикорма-ветеринария» (Москва, 2008, 2010 гг.), на 10-й юбилейной международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергои ресурсосбережение», (Туапсе, 2008), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2008), используются в 2-х учебных курсах.

В диссертации использовались результаты научно-исследовательской работы «Исследование и разработка новых методов магнитофоретической очистки жидкостей и сыпучих сред от феррозагрязнений при эксплуатации машин в производстве хлебных, полимерных и керамических изделий», выполнявшейся автором (в соавторстве с молодыми учеными А. А. Сандуляк, В.А.Ершовой) в 2006;08 гг. в МГТУ «МАМИ», прошедшей обсуждение научно-технической общественностью (МГУПП, Хлебозавод ПЕКО, Одинцовская кондитерская фабрика А. Коркунов, машиностроительный завод оборудования сельхозпереработки «ФРЕГАТ» и др.) и удостоенной Премии Правительства РФ 2008 г. в области науки и техники для молодых ученых.

Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и средств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов (на пищевых предприятиях — 16 аппаратов) для удаления ферропримесей из пищевых продуктов и тем самым — для повышения их качества и безопасности. Они демонстрировались на международных выставках «Агропродмаш» (Москва, 2008, 2009гг.), «Зернокомбикорма-ветеринария» (Москва, 2008, 2010 гг.), «Росупак» (Москва, 2009 г.). Экономический эффект от внедрения разработок составил 1,2 млн. рублей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Выполнен мониторинг ферропримесей (металломагнитных примесей) пшеничной и ржаной муки, манной и кукурузной крупы, какао-порошка и других продуктов с позиций соответствия их фактических размеров нормативным требованиям. Посредством перехода к объемно-долевым гистограммам оценен истинный вклад феррочастиц определенных размеров (в том числе и «запредельных») в их концентрацию.

2. Проанализированы регламентируемые ГОСТами методы контроля содержания ферропримесей в пищевых средах, основанные на проведении неоднократных операций их магнитного накопления. Путем измерения и соответствующего представления пооперационных масс осадка ферропримесей муки, манной крупы и других продуктов показано наличие существенной доли остаточного (ранее в лабораторной и промышленной практике, к сожалению, не оцениваемого) содержания ферропримесей.

3. Разработан прецизионный метод контроля ферропримесей в пищевых продуктах, предложены решения, связанные с установлением аналитического (как показали эксперименты — экспоненциального) вида зависимости пооперационных масс, последующей экстраполяцией этой зависимости для оценки этих масс и совокупной, включая остаточную, массы ферропримесей.

4. В соответствии с разработанным прецизионным методом контроля сред найдены истинные (отличающиеся от значений, получаемых при формально декларируемом числе операций) значения массы и концентрации ферропримесей в пшеничной и ржаной муке, манной крупе и других продуктах. Вскрыта и оценена погрешность при проведении ограниченного числа операций магнитофоретического накопления ферропримесей.

5. Путем изучения влияния угла наклона желоба на величину кинетической энергии потока анализируемой среды (в зоне магнитного захвата) и выявления ее стремительного роста показано, что имевший до настоящего времени место «свободный» выбор угла наклона рабочего желоба в механических устройствах контроля ферропримесей (например, в приборах типа ПВФ) неправомочен.

6. Проведены исследования модуля магнитного сепаратора, состоящего из противостоящих магнитных элементов, получены и проанализированы развернутые экспериментальные (с соблюдением условий текущего позиционирования измерительного датчика и искусственной визуализации силовых линий поля) характеристики индукции поля (в том числе найденные с использованием принципа суперпозиции). Получены также развернутые характеристики ее градиента (графическим и/или аналитическим дифференцированием) и магнитного силового фактора — как основы для выявления пассивных зон.

7. Выполнен анализ рабочих зон магнитного сепаратора, основанный на детализации характеристик индукции в модуле — по функциональным особенностям линеаризованных в полулогарифмических координатах «участков» этих зависимостей — позволяющий осуществлять упрощенную процедуру выявления пассивных зон модуля.

8. Осуществлена промышленная апробация разработанных (и имеющих патентную защиту) методов и устройств контроля, опытно-промышленных образцов магнитных сепараторов для удаления ферропримесей из злаковых, крупяных и других продуктов и тем самым — для повышения их качества и безопасности. Экономический эффект от внедрения составил 1,2 млн руб.