Разработка импульсного гомогенизатора на основе исследований дробления жировых шариков молока

Актуальность исследования. Современный этап развития общества связан с повышенным воздействием на организм человека неблагоприятных экологических условий, вредных факторов производства и нервно-эмоционального напряжения. Профилактика этих негативных воздействий характеризуется возрастающим применением в пищевой промышленности сложных процессов переработки сырья, базирующихся на использовании достижений науки и техники, новых технологий производства комбинированных продуктов с высокой пищевой и биологической ценностью. Новые продукты получают, в частности, использованием в рецептурах молочных продуктов немолочных белковых, жировых, минеральных и витаминных компонентов, а также естественных и синтетических коррективов физико-химических и органолепти-ческих свойств продуктов [1−28]. Процесс приготовления однородных по составу композиций из дисперсных материалов путем их гомогенизации в аппаратах различного типа широко используется в пищевой и других отраслях промышленности [29]. В связи с развитием технологий применяющих гомогенизированные компоненты, предъявляются повышенные требования к дисперсности конечного продукта [30−32]. Основной технической проблемой получения тонкодисперсных эмульсий является ограниченность возможностей гомогенизаторов. Поэтому создание устройств и способов получения тонкодисперсных эмульсий с возможностью варьирования дисперсности и высокой производительностью имеет повышенную актуальность.

Проблема уменьшения частиц дисперсных фаз до размеров менее 0,3 мкм приобретает еще большую остроту в связи с опубликованными исследованиями механизмов усвоения жира организмом человека [33−35]. Пищеварение и абсорбция пищевого жира происходит в тонком кишечнике. Подготовительные процессы пищеварения, связанные с механической деятельностью желудка и микробиологическими процессами, направлены в основном на измельчение поступающих продуктов питания. В процессе усвоения жира образуются хило-микроны, которые представляют собой сложные по составу и строению частицы естественной жировой эмульсии, включающие в себя водонерастворимый жир и вещества, понижающие гидрофобность жира. Они осуществляют транспорт жиров в кровоток и таким образом участвуют в парентеральном питании. Такая естественная эмульсия характеризуется хорошей стабильностью и имеет средней диаметр частиц хиломикронов около 150.400 нм и диапазон разброса размеров от 30 до 1000 нм. В связи с этим искусственные жировые эмульсии должны обладать теми же физическими и химическими свойствами, что и хи-ломикроны, образованные в клетках слизистой кишечника и транспортируемые в вены.

При создании смесей для детского питания также реализуется комплексный биотехнологический подход к повышению их метаболической функциональности путем уменьшения размеров частиц дисперсных фаз и приближения их к аналогичным показателям женского молока [13−18, 35]. Большое значение при этом необходимо придавать составу полученных сложных систем, количественному содержанию и распределению компонентов, так как каждый отдельно взятый компонент может существенно влиять на качество готового продукта. В этой связи необходимо измельчать жировые включения молочных смесей для детского питания до размеров менее 0,5 мкм, так как жировые частицы женского молока имеют именно такие размеры.

Гомогенизация способствует улучшению вкусовых характеристик продуктов, так как с уменьшением размеров частиц дисперсных фаз увеличивается суммарная площадь их поверхности. В результате их воздействие на вкусовые рецепторы становится более полным и длительным и приводит к усилению вкусового восприятия [28−30]. Таким образом, для улучшения вкусовых характеристик продуктов неограниченное уменьшение размеров диспергируемых частиц также актуально.

Одной из качественных характеристик эмульсий является стабильность во времени. Разделение эмульсий на фазы вызвано всплыванием более легких частиц. Формула С. Стокса, приведенная в [1], связывающая размеры дисперсных частиц и скорость их всплывания, свидетельствует о целесообразности неограниченного уменьшения размеров частиц дисперсной фазы с целью повышения устойчивости эмульсий. Повышение стабильности эмульсий, в частности молока, также позволяет избежать заметных потерь жира при его транспортировании и хранении в связи с тем, что с течением времени происходит разделение фаз отстаиванием и в результате некоторое количество жира теряется с потребительской тарой [29, 30].

Таким образом, неограниченное уменьшение размеров частиц дисперсной фазы эмульсий всегда было и остается актуальным, но сдерживается техническими возможностями гомогенизаторов.

Задача уменьшения размеров частиц дисперсной фазы до настоящего времени решалась, в основном, традиционными методами. Для этого изменяются конструктивные параметры клапанных гомогенизаторов, в частности уменьшается высота гомогенизирующей микрощели путем деформационного сближения микронеровностей контактирующих поверхностей [33]. Такой же эффект дает ультразвуковое диспергирование при повышенных интенсивностях воздействия. Однако, оно не нашло широкого применения в молочной промышленности из-за повышенных энергозатрат [36].

Большое количество работ направлено на уменьшение размеров диспергируемых частиц дисперсной фазы путем совершенствования существующего оборудования для гомогенизации. Однако, технические и технологические решения по совершенствованию гомогенизаторов достигли своего предела.

В этой ситуации можно сделать вывод, что дальнейшее совершенствование оборудования для гомогенизации возможно только на основе изучения ее механизмов, и отбора тех из них, при которых возможно создание гомогенизатора нового типа, обеспечивающего дробление частиц до размеров менее 0,7.0,3 мкм.

Цель настоящего исследования — разработка импульсного гомогенизатора на основе исследований дробления жировых шариков молока.

Анализ ретроспективы развития предметной области показывает, что исследованиям по данной тематике посвящено большое количество работ. Вопросы гомогенизации исследовались в Институте биофизики клетки РАН (Карповым В.В.) [33, 34], в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий (Фроловым С.В., Арсеньевой Т. П, Куцаковым В. Е. и другими) [31] при разработке представлений о механизмах дробления частиц дисперсной фазы эмульсий.

Ближе всего к теме диссертации относятся работы, обобщающие теоретические основы диспергирования жидкости, его экспериментальное исследование и практическую реализацию, выполненные Барановским Н. В (Московский технологический институт мясной и молочной промышленности) [37] и проведенные непосредственно и под руководством профессора Дитякина Ю. Ф. (Центральный институт авиационного моторостроения, г. Москва) [38]. Огромный вклад в изучение диспергирования жидкости внесли: Вайткус В. В., Грановский В .Я., Фофанов Ю. Ф., Мухин А. А., Кузьмин Ю. Н.,. Гисин И. Б., Ам-брамзон В.В., Степанов В. М., Сафиулин Р. Г., Прошин А. Ю. и др. [29,30, 39−44].

Объектом исследования являются импульсные гомогенизаторы молока, а предметом — процессы или механизмы как комплексы процессов дробления частиц дисперсной фазы.

Научная новизна и теоретическая значимость результатов диссертационного исследования.

Выявлены и обобщены известные представления о дроблении жидких капель в газообразной среде и распространены на процессы их дробления в составе эмульсий, в частности молока.

Установлено, что в составе эмульсий действует только один из известных механизмов дробления, а именно — срыв с поверхности частиц мелких частичек дисперсионной средой при возникновении возмущений в ней.

Разработана математическая модель процесса дробления, основанная на расчетах относительных скоростей движения жировых шариков и окружающей среды и вычисления по ним критерия Вебера.

Разработаны алгоритм и программное обеспечение расчетов дробления.

Показано, что достигнутый современными техническими средствами предел, соответствующий размерам частиц 0,7.0,3 мкм, может быть преодолен только использованием принципиально новых устройств, например импульсными гомогенизаторами создающими ударные возмущения в гомогенизируемой среде интенсивностью 0,5. .2 МПа.

Разработаны конструктивные варианты устройства импульсных гомогенизаторов.

Для оценок степени гомогенизации среды предложено использовать дисперсию массовой концентрации частиц дисперсной фазы в элементах объема дисперсионной среды, имеющих априорно заданные размеры (масштабы).

Практическую ценность работы составляют:

— новая технология гомогенизации, обеспечивающая дробление жировых шариков молока до размеров, меньших уровня, достигнутого современными средствами;

— импульсный гомогенизатор, обеспечивающий более мелкое дробление жировых шариков молока;

— новый спосоо управления размерами жировых шариков молока, получаемых воздействием на них ударных импульсов в импульсном гомогенизаторе;

— программное обеспечение и результаты расчетов дробления жировых шариков молока возмущениями давления и скорости дисперсионной среды различных форм и параметров;

— результаты исследований механизмов дробления частиц, используемые в учебном процессе.

— реализация комплекса методик разработки импульсных гомогенизаторов, явившихся основой для документов: «Инструкции по обеспечению способа управления размерами жировых шариков молока, получаемых воздействием на них ударных импульсов в импульсном гомогенизаторе», «Рекомендации по использованию импульсного гомогенизатора для повышения степени диспергирования жировых частиц молока».

Автор защищает:

1. Модели механизмов дробления жировых шариков в молоке при различных характеристиках возмущений дисперсионной среды.

2. Математическую модель дробления.

3. Технологию гомогенизации молока, обеспечивающую дробление жировых шариков до размеров, меньших 0,7. .0,3 мкм.

4. Принципиальное конструктивное устройство импульсного гомогенизатора молока, с использованием которого реализуется предложенная технология гомогенизации.

Научные положения, выносимые на защиту, обладают новизной и разработаны автором самостоятельно.

Основные результаты диссертационной работы реализованы:

— в НИР «Импульсный гомогенизатор»;

— в ОКР в НИИлегмаш г. Орел «Гомогенизатор», в результате которой создана конструкция импульсного гомогенизатора;

— при формулировке и оценке характеристик гомогенизации с помощью импульсного гомогенизатора при его внедрении в ОАО Молочный комбинат «Орловский»;

— при проведении лабораторной работы по гомогенизации молока на специально созданной лабораторной установке при использовании специально разработанной методики экспериментов в учебном процессе;

— в образовательном процессе, при чтении лекций по разделу «Гомогенизация» по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств». Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

Достоверность и обоснованность основных положений и выводов исследования достигнута за счет системности рассмотрения всех вопросов предмета исследованиянепротиворечивостью и воспроизводимостью результатов, полученных теоретическим путемсочетанием формальных и неформальных методов исследованияиспользованием методов, адекватных природе изучавшихся процессов и явленийобобщением накопленного опыта работы по созданию новых продуктов и аппаратовдостаточно полного учета многократно проверенных, в том числе и на практике, исходных данныхверификацией отдельных результатов в рамках известных теоретических конструкций, широко используемых в теории гомогенизации.

Математическое обеспечение проведенного исследования опирается на прикладные аспекты теории гомогенизации, математической статистики, теорию операций и системного анализа, теорию прогнозирования и принятия решений, аналитическое и имитационное моделирование. В методах обработки статистики, помимо вероятностных походов, применяются методы теории анализа данных.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на конференциях и симпозиуме, в том числе: 1-ой Международной научно-практической конференции «Проблемы здорового питания» (Орел, 1998г) — П-ой и Ш-ей Международных научно-практических конференциях «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания" — Международном симпозиуме «Машины ударного действия», Международном конгрессе «Актуальные проблемы механики сплошных и сыпучих сред» (Москва, 2001 г.) — ежегодных на-учно-технических конференциях преподавателей, сотрудников и аспирантов (Орел, 1997;2001г.).

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликованы: 2 статьи в центральных издательствах, 7 тезисов докладов на научных международных симпозиумах и конференциях, 2 отчета по научно-исследовательским работам, получено положительное решение по заявке на изобретение.

Структура и объем работы. Структура диссертации соответствует логике научного исследования и включает в себя введение, пять глав, заключение, список литературы, приложения. Основной текст изложен на 126 страницах машинописного текста, приложение на 9 страницах.

Список литературы

включает 111 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Результаты, полученные в диссертационном исследовании, позволяют сделать следующие общие выводы.

1. Проведенный анализ научных исследований по проблеме изучения механизмов дробления частиц свидетельствует о недостаточной их изученности. Используемые в промышленном производстве гомогенизаторы имеют ограниченные возможности по дроблению. С их применением не представляется возможным измельчить жировые частицы до размеров менее 0,5±-0,2мкм. Совершенствование оборудования путем изменения конструктивных параметров не позволяет получить новые качественные характеристики вследствие ограничений принципиального характера.

2. Разработанная математическая модель дробления жировых частиц возмущениями базируется на гипотезе, что дисперсионная среда увлекает в движение жировую частицу и с учетом этого формируется относительное движение среды и частицы. Среда, движущаяся относительно поверхности жировой частицы, оказывает на нее динамическое силовое воздействие, описываемое векторной суммой нормальных и касательных сил проинтегрированных по всей поверхности частицы. Ускорение частицы описывается дифференциальным уравнением первого порядка. Особенностью математической модели является описание дробления как процесса взаимодействия возмущений с однородными частицами с экспериментальным уточнением количественных результатов.

3. Методика расчета дробления частиц базируется на нахождении скоростей движения возмущения в дисперсионной среде и скорости частицы увлекаемой потоком дисперсионной среды. По этим данным вычисляется радиус остаточной частицы, для которой критерий дробления (критерий Вебера) равен критическому. Методика учитывает дробление не только жировых частиц, но и их конгломератов, а также содержит выражения для расчета адгезионных сил сцепления жировых шариков. Методика позволяет производить расчет дробления частиц, как ударными, так и ультразвуковыми возмущениями заданной формы.

4. Полученные в результате экспериментальных исследований оценки гомогенизации эмульсий при разных степенях дробления частиц подтверждает справедливость сформулированной гипотезы о равномерном распределении частиц в объеме исследуемого продукта. Равномерность их распределения наблюдалась при любых случайным образом выполненных оценках.

5. Анализ полученных экспериментальных данных позволяет утверждать, что через 72 часа в необработанном молоке остаются только мелкие частицы (остальные всплывают), а в гомогенизированном молоке за это время разделение на фракции практически отсутствует. В молоке, обработанном в ультразвуковом диспергаторе, находятся частицы размером 0,5.2,5 мкм, и их количество соизмеримо с количеством частиц в молоке, гомогенизированном в клапанном устройстве. Проведенные расчеты позволяют утверждать, что при обработке молока в течение нескольких минут ультразвуковыми колебаниями малой интенсивности невозможно достичь более глубокой гомогенизации, чем при измельчении конгломерата на составные частицы. Проведенная статистическая обработка результатов исследования размеров жировых частиц в молоке подтвердила, что при увеличении объемов выборки распределение ассимптотически приближается к нормальному.

6. Полученные экспериментальные данные исследования механизмов гомогенизации ударными возмущениями, показали, что при воздействии возмущений интенсивности 0,5. .2 МПа дробление идет путем срыва поверхностных слоев. Получена зависимость радиуса раздробленных капель от интенсивности возмущений давлений. Результаты пересчитаны на натурные условия.

7. Установлено, что усиленное дробление частиц дисперсной фазы эмульсий возможно при действии на них серии одиночных возмущений большой интенсивности. Такие возмущения могут быть созданы, в частности, гидравлическими или пневматическими импульсными побудителями, соединенными с поршнем, воздействующим на эмульсию, протекающую через цилиндр с этим поршнем.

8. Проведенные испытания импульсного гомогенизатора подтвердили возможность — его применения для ультрагомогенизации эмульсий. В диссертационном исследовании определена эффективность его работы на примере молока по степени дробления частиц молочного жира и установлены оптимальные параметры импульсов. Исследование молока, обработанного в данном устройстве, показало, что частицы жира дробятся до размеров, значительно меньших 0,3.0,7 мкм. Их общее массовое количество составляет около 99,9% от исходной массы частиц. Малый разброс размеров остаточных частиц является еще одним доказательством реализации механизма дробления со срывом их поверхностных слоев. В пробах молока, прошедшего ультрагомогенизацию, за 48 часов содержание сливок на поверхности увеличилось не более, чем на 0,5%. В пробах не гомогенизированного молока за это время содержание жира на поверхности увеличилось более, чем в 3 раза, то есть почти 70% молочного жира всплыло на поверхность.

9. Сравнение математического ожидания размеров жировых частиц и их средних квадратических отклонений, определенных экспериментальным путем, с аналогичными моментами распределений, рассчитанными в ходе теоретического исследования, показало, что они статистически неразличимы, что свидетельствует об адекватности разработанной математической модели дробления.