ESTIMATION OF STABILITY OF TECHNOLOGICAL SYSTEM FOR CONCENTRATED FRUIT EXTRACTS PRODUCTION
Authors:
1.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology(University)
2.
Kemerovo State University
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
Kemerovo, Kemerovo, Russian Federation
3.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology(University)
Type:
Article
Pages:
from 135
to 140
Status:
Published
Received:
30.12.2016
Accepted:
30.12.2016
Published:
30.12.2016
Subject area:
UDK 664 Пищевая промышленность
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Fruit extract, system, subsystem, extractor with an oscillating plate, external recirculation contour
Abstract (English):
The development of production technologies by implementation of new or modernized equipment is the most efficient way to raise their efficiency and improve the product quality. Implementation of the extractor with an oscillating plate in a concentrated fruit extracts production line leads not only to the significant shortening of material processing but also to the increase in the concentration of desired components in the obtained extract. The increase of integrity and improvement of quality of modernized technology when implementing new equipment is an important task that require the design of an operator model of the discussed technology based on the methodology of workflow theory. The bottleneck of the model has been defined. It is the subsystem of the formation of intermediate product with given quality parameters. The stability of subsystem functioning has been calculated when using an extractor with an external recirculation contour and without it. The level of system integrity has been determined. To value the stability of subsystem functioning, according to preliminary researches, the following parameters have been determined: estimated period (60 min), required sample numbers (25 samples), allowable limit of parameter divergence (5%). The research results show that the extractor equipped with an external recirculation contour provides stability of functioning of the subsystem of intermediate product formation equal to 1, comparing with 0.47 (without the external recirculation contour). The obtained value of subsystem functioning stability stimulates the increase of system integrity, which value (in case of using the extractor with an oscillating plate) is 0.75.
The development of production technologies by implementation of new or modernized equipment is the most efficient way to raise their efficiency and improve the product quality. Implementation of the extractor with an oscillating plate in a concentrated fruit extracts production line leads not only to the significant shortening of material processing but also to the increase in the concentration of desired components in the obtained extract. The increase of integrity and improvement of quality of modernized technology when implementing new equipment is an important task that require the design of an operator model of the discussed technology based on the methodology of workflow theory. The bottleneck of the model has been defined. It is the subsystem of the formation of intermediate product with given quality parameters. The stability of subsystem functioning has been calculated when using an extractor with an external recirculation contour and without it. The level of system integrity has been determined. To value the stability of subsystem functioning, according to preliminary researches, the following parameters have been determined: estimated period (60 min), required sample numbers (25 samples), allowable limit of parameter divergence (5%). The research results show that the extractor equipped with an external recirculation contour provides stability of functioning of the subsystem of intermediate product formation equal to 1, comparing with 0.47 (without the external recirculation contour). The obtained value of subsystem functioning stability stimulates the increase of system integrity, which value (in case of using the extractor with an oscillating plate) is 0.75.
Keywords:
Fruit extract, system, subsystem, extractor with an oscillating plate, external recirculation contour
Fruit extract, system, subsystem, extractor with an oscillating plate, external recirculation contour
Введение Производство экстрактов и концентратов био- логически активных веществ методом экстрагирования плодово-ягодного сырья является эффектив- ным технологическим решением, обеспечивающим максимально полное использование сырьевых ресурсов при минимальных эксплуатационных затра- тах на оборудование [1, 10]. Схему технологии производства концентриро- ванных экстрактов из плодово-ягодного сырья диффузионным методом можно представить в следующем виде [2]. ртировка, Подготовка сырья (очистка от примесей, со взвешивание) ание, фи Подготовка экстрагента (темпериров льтрование) Экстрагирование плодово-ягодного сырья ↓ Разделение полученной суспензии на шрот и экстракт Фильтрование и осветление экстракта Прессование шрота ↓ ↓ Концентрирование экстракта под вакуумом Сушка шрота ↓ ↓ Пастеризация концентрированного экстракта Измельчение высушенного остатка ↓ ↓ Фасовка и хранение пастеризованного экстракта Фасовка и хранение сухого препарата Повысить эффективность рассматриваемой тех- нологии за счет увеличения массы извлеченных целевых компонентов из обрабатываемого сырья и одновременно за счет уменьшения продолжительности процесса экстрагирования возможно благодаря созданию в рабочем объеме экстрактора интенсив- ного гидродинамического режима. Разработка мас- сообменных аппаратов, реализующих метод нало- жения на обрабатываемую систему поля низкоча- стотных механических колебаний (НЧМК), является перспективным способом интенсификации процесса экстрагирования, поскольку характеризуется мини- мальными капиталовложениями и затратами на под- держание работы оборудования [3, 8]. Проведенные в работах [3, 8, 9] исследования показали высокую стабильность работы экстракто- ров с вибрационной насадкой в различных техно- логических системах. Полученные результаты объ- ясняются тем, что использование экстрактора с вибрационной насадкой позволяет избежать потери обрабатываемого продукта, уменьшить количество межоперационных перемещений перерабатываемо- го сырья и повысить производительность линии в целом за счет сокращения единиц оборудования в технологическом потоке. Минимизация отрицательного влияния факто- ров окружающей среды и повышение стабильности технологических процессов (усиление внут- ренних связей системы) при внедрении в техноло- гический поток экстрактора с вибрационной насадкой во многом предопределяют целостность и качество разрабатываемого технологического потока [4, 7, 5]. Цель настоящих исследований - расчет ста- бильности функционирования подсистемы образо- вания промежуточного продукта в технологиче- ском потоке производства концентрированных экс- трактов из замороженных плодов рябины красной на ОАО «Кемеровская фармацевтическая фабрика» при использовании модернизированного оборудо- вания - экстрактора с вибрационной насадкой не- прерывного действия, оснащенного контуром внешней рециркуляции. Объекты и методы исследований Операторная модель технологии производства концентрированных плодово-ягодных экстрактов при использовании экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия представлена на рис. 1. Рис. 1. Операторная модель технологической системы производства концентрированных экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья В операторной модели приняты следующие обозначения: А1 - подсистема получения пастеризованного экстракта с показателями качества, соответствую- щими стандарту, содержащая операторы: I - охла- ждения пастеризованного экстракта; II - пастериза- ции концентрированного экстракта; III - концен- трирования осветленного экстракта; IV - нагрева- ния экстракта до температуры концентрирования; А2 - подсистема получения измельченного сухо- го шрота с показателями качества, соответствую- щими стандарту, содержащая операторы: I - из- мельчения высушенного шрота; II - конденсации паров экстрагента; III - сушки шрота; В - подсистема получения осветленного экс- тракта с заданными технологическими показателя- ми качества, содержащая операторы: I - фильтро- вания экстракта; II - отжатия экстракта из шрота; III - разделения суспензии на шрот и экстракт; С - подсистема образования промежуточного продукта с заданными технологическими показателями качества, содержащая операторы: I - перера- ботки замороженного плодово-ягодного сырья; II - инспекции сырья. Технологический поток ввиду возможности по- лучения двух продуктов: пастеризованного экс- тракта и измельченного сухого шрота имеет разветвленную расходящуюся структуру. Переработка замороженного плодово-ягодного сырья, находящаяся в начале технологического потока, в подсистеме С, представляет собой соче- тание ряда процессов в одном аппарате: смешива- ние замороженных плодов с экстрагентом, размо- раживание плодов, разрушение плодов, образова- ние суспензии и экстрагирование целевых компо- нентов из разрушенной твердой фазы. Учитывая сложность получения промежуточного продукта и влияние его характеристик на качество получаемо- го экстракта, переработку замороженного плодово- ягодного сырья можно рассматривать как узкое место технологической системы. При многотоннажном производстве концентрированных плодово-ягодных экстрактов наиболее предпочтительно использование в технологическом потоке экстрактора с вибрационной насадкой не- прерывного действия, являющегося аппаратом II класса, поскольку процессы переработки совер- Стабильность функционирования подсистем ηi можно рассчитать, допуская предел отклонения этого значения на величину, не превышающую 5 %, E шаются в нем одновременно с перемещением обра- батываемой среды. Для проведения остальных тех- нологических операций целесообразно использова- i 1 i Emax , (2) ние оборудования не ниже II класса, позволяющего организовать непрерывную структуру технологиче- ского цикла. В качестве способа повышения концентрации целевых компонентов в производимом экстракте при переработке замороженного плодово-ягодного сырья рекомендуется использование в экстракторе контура внешней рециркуляции [6]. Производительность по твердой фазе составляла 10 кг/ч при гидромодуле 1/4, частоте колебаний насадки 16,7 Гц и амплитуде - 14 мм. Габаритные размеры корпуса экстрактора: диаметр 150 мм, вы- сота 640 мм; количество тарелок в насадке 4; диа- метр тарелок 146 мм; диаметр отверстий перфора- ции в тарелке 3 мм; живое сечение тарелки 16,5 %; толщина тарелок 3 мм. В качестве контролируемого параметра ста- бильности функционирования подсистемы С при- нята концентрация сухих растворимых веществ (СРВ) в промежуточном продукте. На основании результатов проведенных исследований экстракто- ра с вибрационной насадкой непрерывного дей- ствия при переработке замороженных плодов ряби- ны красной было установлено значение концентра- ции СРВ в промежуточном продукте, при котором наблюдалась его стабильная работа: при работе без контура внешней рециркуляции эта концентрация составила 4,2 % масс.; с контуром внешней рецир- куляции - 6,8 % масс. Для других подсистем были выбраны соответствующие контролируемые пара- метры: B, А1 - массовая доля осадка в экстракте; А2 - остаточная влажность измельченного сухого шрота. По значениям проб выборки, разбитых на два ин- тервала: удовлетворяющих и не удовлетворяющих выбранным пределам, рассчитывалась стабильность подсистем. Число проб выборки n рассчитывалось согласно следующим рекомендациям [5] z2 y (1 y) где Ei (U log2U (1 U ) log2 (1 U )) - энтропия подсистемы, соответствующая данному распределению значений величины концентрации СРВ в экстракте (здесь U - вероятность попадания случайной величины в область допускаемых значе- ний); Emax = 1 - соответствующий закону равно- мерного распределения максимум энтропийной функции. Слагаемые (-U∙log2U) и (1 - U)∙log2(1 - U) для расчета Ei при различных значениях соответству- ющих вероятностей U и (1 - U) приняты согласно табличным данных [5]. Уровень целостности системы (рис. 1) склады- вается следующим образом: CBA1 C B/C A1/CB 2 ; (3) CBA2 C B/C A2/CB 2 , (4) где ηС - стабильность подсистемы С; ηB/C, ηA1/CB, ηA2/CB - условные стабильности одной подсистемы относительно другой. Результаты и их обсуждение Согласно представленным в табл. 1 результатам использование в технологическом потоке экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного дей- ствия, оснащенного контуром внешней рециркуляции, обеспечивает достаточно высокую стабильность функционирования подсистемы С, равную 1, по сравнению с 0,47 (без контура внешней рецир- куляции). Уровень целостности системы при использова- нии экстрактора, оснащенного контуром внешней рециркуляции: CBA1 1 1 0,75 2 0,75 ; CBA2 1 1 1 2 1. Уровень целостности системы при использовании n P 2 , (1) экстрактора без контура внешней рециркуляции: ; где zP - нормированное отклонение с соответству- ющей вероятностью; y - доля признака среди ото- бранных образцов; Δ - половина доверительного интервала. Предварительные исследования показали, что при zP = 1,96, соответствующей вероятности 0,95 [5]; y = 0,5 и Δ = 0,2, требуемое число выборки со- ставило 25 проб. CBA1 0, 47 0,6 0, 6 2 0,33 CBA2 0, 47 0,6 1 2 0,07 . Полученные результаты показали, что подси- стема С оказывает наибольшее влияние на уровень целостности системы посредством влияния на ста- бильности функционирования последующих под- систем B и А1. Таблица 1 -(1-U) log2(1 - U) Результаты расчета стабильности функционирования подсистем технологической системы производства концентрированных плодово-ягодных экстрактов Подсистема Оцени- ваемый период Объем выбор- ки, шт. Число проб U 1 - U -U∙log2U Ei ηi в 1-минтерва- ле во 2-минтерва- ле С контуром внешней рециркуляции C 60мин 25 25 0 1 0 0 0 0 1 B 60мин 25 25 0 1 0 0 0 0 1 A2 60мин 25 25 0 1 0 0 0 0 1 A1 60мин 25 24 1 0,96 0,04 0,06 0,19 0,25 0,75 Без контура внешней рециркуляции C 60мин 25 22 3 0,88 0,12 0,16 0,37 0,53 0,47 B 60мин 25 23 2 0,92 0,08 0,11 0,29 0,4 0,6 A2 60мин 25 25 0 1 0 0 0 0 1 A1 60мин 25 23 2 0,92 0,08 0,11 0,29 0,4 0,6 Для идеально целостной системы характерно значение уровня целостности, равное 1. Следова- тельно, использование экстрактора, оснащенного контуром внешней рециркуляции, не вызывает снижение стабильности функционирования подси- стемы С и, кроме того, повышает уровень целост- ности всей системы. Стабильная работа экстрактора, оснащенного кон- туром внешней рециркуляции, объясняется его ос- новным преимуществом - выравниванием поля кон- центраций СРВ по высоте рабочего объема экстрактора. Это позволяет судить о постоянстве остальных свойств получаемого промежуточного продукта (плотности, вязкости, органолептических показателях и др.), способствующих стабильной работе оборудо- вания на дальнейших технологических операциях. Таким образом, энтропийная оценка стабильно- сти функционирования подсистемы С, выполнен- ной на базе экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия, оснащенного контуром внешней рециркуляции, показала высокий уровень ее организованности.
1. Bakumenko, O.E. Tehnologiya obogaschennyh produktov pitaniya dlya celevyh grupp. Nauchnye osnovy i tehnolo- giya. - M.: DeLi plyus, 2013. - 287 s
2. Burachevskiy, I.I. Sovremennye sposoby polucheniya polufabrikatov likero-vodochnogo proizvodstva / I.I. Burachevskiy, K.I. Skripnik. - M.: Legkaya i pischevaya promyshlennost', 1981. - 136 s
3. Vibracionnye massoobmennye apparaty / I.Ya. Gorodeckiy, A.A. Vasin, V.M. Olevskiy, P.A. Lupanov; pod red. V.M. Olevskogo. - M.: Himiya, 1980. - 192 s
4. Kravchenko, S.N. Modelirovanie i sintez tehnologicheskogo potoka proizvodstva ekstraktov iz syr'ya rastitel'nogo proishozhdeniya / S.N. Kravchenko, A.M. Popov, S.S. Pavlov // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya. - 2005. - № 7. - S. 62-64
5. Panfilov, V.A. Teoriya tehnologicheskogo potoka. - 2-e izd., ispr. i dop. - M.: KolosS, 2007. - 319 s
6. Pat. 2545300 Rossiyskaya Federaciya, MPK B 01 D 11/02 (2006.01). Ekstraktor vibracionnyy / Sorokopud A.F., Ivanov P.P., Halturin M.A.; opubl. 27.03.2015, Byul. № 9. - 5 s
7. Popov, A.M. Sistemnye zakonomernosti slozhnyh ob'ektov i principy ih ispol'zovaniya pri issledovanii i proektirovanii tehniko-tehnologicheskih kompleksov / A.M. Popov, V.A. Panfilov // Hranenie i pererabotka sel'hozsy- r'ya. - 2005. - № 10. - S. 15-17
8. Sorokopud, A.F. Ispol'zovanie sistemnogo analiza pri issledovanii apparatov s vibracionnoy nasadkoy / A.F. Sorokopud, P.P. Ivanov // Nauchnyy zhurnal NIU ITMO. Seriya «Processy i apparaty pischevyh proizvodstv». - 2014. - № 1 [Elektronnyy resurs]. - Rezhim dostupa: http://processes.open-mechanics.com/articles/938.pdf (20 iyunya 2016)
9. Halturin, M.A. Ocenka stabil'nosti processa ekstragirovaniya v tehnologicheskom potoke pri ispol'zovanii apparata s vibracionnoy nasadkoy / M.A. Halturin, P.P. Ivanov // Innovacii v pischevoy promyshlennosti: obrazovanie, nauka, proizvodstvo: materialy Vseros. nauch.-prakt. konf. (g. Blagoveschensk, 23 aprelya 2014 g.): v 2 ch. Ch. 2. - Blagoveschensk: Dal'GAU, 2014. - S. 114-118
10. Shobinger, U. Fruktovye i ovoschnye soki: nauchnye osnovy i tehnologii / per. s nem. pod obsch. nauch. red. A.Yu. Kolesnova, N.F. Berestenya i A.V. Oreschenko. - SPb.: Professiya, 2004. - 640 s
