CC BY
70
637.523:633.8:665.3:663.2/.5
ДОСТИЖЕНИЯ ОБЪЕДИНЕННОЙ НАУЧНОЙ ШКОЛЫ «ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ, ГАЗОЖИДКОСТНЫЕ И НАНОБИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО И ЖИВОТНОГО СЫРЬЯ»
Г.И. КАСЬЯНОВ, В.В. ДЕРЕВЕНКО, Э.М. СОБОЛЕВ
Кубанский государственный технологический университет,
350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2; электронная почта: [email protected], [email protected]
Представлены основные направления и результаты исследований, проводимых в рамках объединенной научной школы «Электрофизические, газожидкостные и нанобиотехнологические способы обработки растительного и животного сырья».
Ключевые слова: обработка растительного и животного сырья, газожидкостные технологии, СО2-экстракция, ректификация спирта, получение растительного масла, технология виноделия.
В Кубанском государственном технологическом университете на базе кафедр процессов и аппаратов пищевых производств, технологии виноделия и пивоварения, технологии мясных и рыбных продуктов создана объединенная научная школа «Электрофизические, газожидкостные и нанобиотехнологические способы обработки растительного и животного сырья».
Широко известны достижения школы в области обработки сельскохозяйственного сырья сжиженными и сжатыми газами, разработки и совершенствования технологии и оборудования суб- и сверхкритической СО2-экстракции ценных компонентов из сельскохозяйственного сырья (руководитель профессор Г.И. Касьянов). Основные теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении ведутся на высоком научно-методическом уровне с привлечением фундаментальных положений термодинамики, физической химии, теории массопереноса, биотехнологии, микробиологии, механики.
Учеными школы систематизированы возможные направления использования жидкого, твердого и газообразного диоксида углерода для интенсификации технологических процессов. Для каждой технологической операции разработаны необходимые теоретические предпосылки, созданы стенды для экспериментальной проверки эффективности методов обработки сельскохозяйственного сырья сжиженными и сжатыми газами. Основные закономерности процессов проанализированы и обобщены в виде математических зависимостей, позволяющих осуществлять дальнейшую их модернизацию. Разработана единая схема использования жидкого, твердого и газообразного диоксида углерода для интенсификации технологических процессов, создана классификация методов СО2-обработки и система их контроля, определены технологические параметры для конкретных операций.
Обработка растительного сырья в среде диоксида углерода перспективна не только из-за простоты получения этого химически инертного газа, но и возможности его использования в различных агрегатных состояниях, что позволяет решать разные технологические задачи. Например, обработка термочувствительного плодоовощного, пряно-ароматического и лекарственного сырья в среде диоксида углерода является одним из эффективных вариантов организации технологий получения готовой продукции высокого качества.
Создание первого экспериментального оборудования для обработки сырья диоксидом углерода осуществлено при тесном сотрудничестве ученых и специалистов таких организаций, как НПО «Молния», НИИ «Мир-Продмаш», НПО «Горизонт», ОКБ им. А.И. Микояна.
Научная новизна разработки заключается в возможности управления процессами экстрагирования ценных пищевых компонентов из растительного и животного сырья с сохранением их нативных свойств, а также интенсификации процессов за счет эффективного разрушения биологических клеток.
Обоснованы пути интенсификации СО2-экстрак-ции при до- и сверхкритических давлении и температуре в зависимости от поставленной задачи. Разработаны теоретические основы по созданию нового технологического оборудования. Это струйные гидродинамические устройства контактного охлаждения жидких пищевых продуктов при спутном их течении с потоком низкотемпературного диоксида углерода. Рассчитаны зависимости, обеспечивающие фракционную кристаллизацию веществ из раствора.
Апробированы разные области газожидкостной обработки: замедление прорастания клубней картофеля за счет ингибирования процессов метаболизма; снижение температуры тепловой обработки соков и пищевых
сред за счет изменения рН среды, позволяющее добиться максимального сохранения биологически активных веществ в конечном продукте; возможность исключения из схемы технологической цепочки дорогостоящего насосного и деаэрирующего оборудования за счет использования энергии сжатых газов; охлаждение плодоовощной продукции с помощью «сухого» водно-углекислотного снега непосредственно в местах ее сбора.
Исследованы возможности сокращения цикла технологической переработки сырья на соки путем совмещения в одном аппарате смешивания ингредиентов, гомогенизации, концентрирования и пастеризации.
Разработаны способы измельчения частиц в пределах 10-15 мкм при резком снижении микробной обсе-мененности; интенсификации сушки плодоовощной пульпы, сохраняющей природную окраску; криоконсервирования путем прямого контакта с хладагентом. Показано, что сохранение за счет СО2-обработки биологически ценных веществ плодоовощной продукции позволяет получать консервы лечебно-профилактического профиля. Выявлены пути и способы использования вторичного сырья (выжимки, семена, цедра и др.), пряно-ароматических и лекарственных растений в качестве источников ценных компонентов.
Изучен механизм селективной экстракции, и предложена схема разделения СО2-экстрактов на отдельные классы органических соединений. Установлено, что способ СО2-экстракции применим не только для извлечения ценных компонентов из традиционного пищевого сырья, такого как виноградные и ягодные выжимки, семена бахчевых культур. Уникальный препарат получен при СО2-экстракции биологически активных веществ из мякоти и косточек оливок, из мезги и листьев оливкового дерева. В новом СО2-экстракте повышено содержание ю-3 и ю-6 жирных кислот и других эссен-циальных соединений.
Для контроля технологических операций и продуктов СО2-обработки используются современные методы анализа: газожидкостная, высокоэффективная и распределительная хроматографии, спектрофотомет-рия в УФ и ИК-областях, масс-спектрометрия, позволяющие давать всестороннюю оценку процессов и качеств получаемых продуктов.
Совместно со специалистами НИИ «Мир-Прод-маш», ЦНИИ «Буревестник», завода «Атоммаш» (Волгодонск) и НИЦ ЭР «Горо» (Ростов-на-Дону) разработана методика и аппаратура для извлечения биологически активных веществ из растительного сырья сжиженными и сжатыми газами.
В области создания холодильного технологического оборудования разработаны струйные газодинамические устройства (СГДУ) для непрерывного контактного охлаждения жидких пищевых продуктов в струйном спутном течении с низкотемпературным газом или двухфазным потоком. Это обеспечивает формирование жидкого, снегообразного или кристаллического фазового состояния продукта или его отдельных фракций.
В результате открывается возможность более широкого использования перерабатываемого продукта и получения новых его видов. Благодаря использованию экологически чистой технологии, обеспечивающей быстрое замораживание, сохранение и высокую гомогенность продукта в течение длительного времени, СГДУ конкурентоспособны с другими типами охлаждающих устройств, например со скороморозильными аппаратами.
Учеными кафедры технологии мясных и рыбных продуктов в рамках объединенной научной школы опубликовано 12 учебников и учебных пособий, 18 монографий, 20 научно-технических обзоров, более 90 статей в центральных научных и научно-технических изданиях, 164 публикации в материалах международных и российских конференций, получено 114 патентов на изобретения и полезные модели.
Основным направлением исследований, проводимых в рамках школы на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств, является разработка и совершенствование технологических процессов и оборудования для переработки растительного и животного сырья (руководитель профессор В.В. Деревенко).
Исследования в области совершенствования технологии и аппаратуры для получения этилового спирта из грубых суспензий позволили выявить закономерности взаимосвязи трения потоков и массообмена, получить расчетные зависимости и разработать методику расчета. При конструировании промышленной ректификационной установки непрерывного действия для получения этилового спирта-сырца из дрожжевых осадков были применены тарелки с синусоидальными элементами в исчерпывающей части колонны и контактные устройства ситчатого типа с направленным движением жидкости в укрепляющей части колонны.
С целью повышения технико-экономических показателей предприятий масложировой и спиртовой отраслей ведутся разработки ресурсосберегающих технологий и оборудования для переработки масличных семян, в том числе импортозамещающих технологий переработки семян рапса, тыквы Штирийская масляная и косточковых, а также комплексной переработки отходов винодельческих и спиртовых производств.
Ряд запатентованных разработок кафедры внедрены или предлагаются к внедрению:
линия масляной абсорбции для улавливания паров растворителя;
ресурсосберегающая линия маслоэкстракционного производства, включающая комплекс запатентованных высокоэффективных технических решений: энергосберегающий способ рекуперации тепловой энергии жмыха и конструкцию многофункционального аппарата для его осуществления; энерготехнологическую установку для утилизации сточных вод; технические решения, обеспечивающие раздельную конденсацию паров растворителя и воды;
аппаратурно-технические решения по совершенствованию структуры маслоэкстракционных линий с
ленточным экстрактором, исключающие рецикличе-ский поток промывной мисцеллы;
усовершенствованный вертикальный шнековый экстрактор (внедрен на маслоэкстракционных заводах РФ и стран СНГ, укомплектованных линией НД-1250);
центробежная рушка, семеновеечная машина, аэросепаратор для контроля перевея, кондиционер с ИК-энергоподводом и двухшнековый пресс-экструдер, которые серийно изготавливаются машиностроительными заводами;
способы переработки семян подсолнечника, сои и рапса с отжимом масла на двухшнековом пресс-экструдере (внедрены на маслодобывающих предприятиях Краснодарского и Ставропольского краев, Воронежской и Волгоградкой областей);
универсальный нейтрализатор и аппараты для холодной отбелки, винтеризации и дезодорации растительных масел (внедрены на предприятиях Армавира, Еревана, Бийска и др.);
оборудование и линия переработки семян тыквы для получения тыквенного масла;
оборудование и линия комплексной переработки семян винограда с получением рафинированного дезодорированного масла;
оборудование и линия переработки семян кориандра с получением жирного и эфирного масел.
Предприятиям продано 11 лицензий на право использования патентов на изобретения и полезные модели. Экспертная группа под руководством профессора В.В. Деревенко осуществляла техническую экспертизу маслоэкстракционных линий и технологического оборудования в Индии, Израиле, Финляндии, Швеции.
Выполнен комплекс исследований по разработке ресурсосберегающих процессов производства растительных масел и создания конкурентоспособной промышленной аппаратуры. В результате функционально-структурного анализа сложной подсистемы центробежной рушки выявлены взаимосвязи конструкции и процесса, определяющие производительность и фракционный состав получаемой рушанки. На основе результатов экспериментов разработана математическая модель движения семянки вдоль лопаток ротора.
Разработан и внедрен аэросепаратор, обеспечивающий разделение перевея на лузгу и ядровую фракцию. Модернизирована семеновеечная машина Р1-МС-2Т. Конструкции защищены патентами и внедрены в производство.
Универсальная технологическая линия и оборудование для переработки масличных семян удостоены двух золотых медалей на VII Московском международном салоне промышленной собственности «Архимед -2004» и V Московском салоне инноваций и инвестиций, двух серебряных - на Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ «ИННОВ - 2003» (Новочеркасск) и на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций за разработку комплексной линии для получения биодизельного топлива и кормового жмыха, а также двух бронзовых -
на Российской агропромышленной выставке «Золотая осень» в номинации «Прогрессивные виды техники для АПК» (Москва, 2002 и 2005 гг.).
На основе групповых моделей растворов разработана поровая модель адсорбционного равновесия на основе модели ИЫ^ИАС в системе твердое тело-жидкость для сильно неидеальных смесей, способных расслаиваться при температурах ниже критической температуры растворения.
Разработана математическая модель экстрактора с промежуточным отбором масляной мисцеллы, ее расслаиванием и рециркуляцией бензиновой фракции в экстрактор, учитывающая явление пропитки исходного материала наружной мисцеллой, термодинамическое равновесие, кинетику процесса экстрагирования и структуру потоков, представленную в виде статической и динамической задержек жидкости.
В рамках изучения возможности применения процесса ионного обмена для извлечения винной кислоты из отходов виноделия сформулированы теоретические основы процесса и разработана технологическая схема для проведения многостадийного процесса сорбции-десорбции винной кислоты.
Построена теория сжимаемых осадков, учитывающая изменение свойств осадка по высоте его слоя. Разработаны математические модели процесса фильтрования с образованием сжимаемых осадков и через намывной слой вспомогательных веществ. Разработана методика расчета напряжения сжатия осадка в его поперечном сечении. Получено выражение связи пористости осадка с напряжением сжатия.
На базе теоретических и практических разработок в области экстракции масла сформулированы термодинамические и статистические основы теории адсорбционного равновесия в системе капиллярно-пористое твердое тело-жидкость. Разработан новый подход к моделированию равновесия в системе капиллярно-пористое твердое тело-жидкость в рамках представлений адсорбционной поровой модели и методов группового состава. Получены уравнения для описания равновесия в системах капиллярно-пористое твердое тело-жидкость, капиллярно-пористое твердое тело-пары растворителя, масляная мисцелла-пары растворителя. Разработаны методы расчета составов равновесных фаз, алгоритм и программа расчета равновесных составов поровой и наружной жидкостей.
Усовершенствован процесс экстракции масла из пищевых подсолнечных фосфолипидов (ППФ) путем проведения его в две стадии: однократная экстракция масла ацетоном из ППФ, противоточная экстракция масла из частично обезжиренных фосфолипидов в пульсационном экстракторе типа «труба в трубе». Разработаны математические модели, учитывающие характеристики обеих стадий процесса. Построена технологическая схема и рассчитаны технологические режимы процесса обезжиривания ППФ. Исследован процесс экстрагирования масла из масличного материала при многоступенчатом противоточном циклическом
процессе экстракции, учитывающий эффект обратного перемешивания растворителя, время стока растворителя из твердой фазы в зоне отсутствия орошения, влияние времени выдержки материала на эффективность последующей ступени орошения.
С использованием программных сред моделирования сложных химико-технологических систем разработаны математические модели современных схем совмещенных процессов дистилляции масляных мис-целл, конденсации паров растворителя и абсорбции растворителя из газовоздушной смеси. Развита теория одновременного тепломассообмена при гетерогенной конденсации соковых паров тостера в присутствии воздуха. Установлено наличие в теплообменной камере дистиллятора зоны перегрева соковых паров в присутствии неконденсирующихся гексана и воздуха и зоны конденсации эвтектической смеси воды и гексана в присутствии воздуха.
Развита теория замкнутого процесса ректификации и одновременно теория нестационарного массообмена в многокомпонентных неидеальных смесях, реализация положений которых позволит усовершенствовать процессы очистки спирта и ректификации эфирных масел. Установлено, что моделирование кинетики замкнутой ректификации спиртовых смесей на основе аналитически решенных уравнений массопередачи Е.Н. Константинова дает сопоставимые результаты с моделью, базирующейся на решении уравнения многокомпонентной диффузии Стефана-Максвелла.
Разработана математическая модель непрерывного процесса ректификации спиртовых смесей, учитывающая перекрестные эффекты массопередачи при определении эффективности тарелки, парожидкостное равновесие по методу ИМБАС и изменение расходов потоков паров и жидкости от тарелки к тарелке (на основе применения уравнения теплового баланса на каждой действительной ступени разделения). В основу расчета положен релаксационный метод, для которого разработана методика расчета параметров потоков, покидающих действительную тарелку, по данным о параметрах, питающих тарелку потоков. Уточнены параметры группового взаимодействия модели ИМБАС для примесных компонентов, сопутствующих спирту, на основе экспериментальных данных по парожидкостному равновесию для бинарных и трехкомпонентных смесей.
Предложена технологическая схема установки малой мощности комбинированного типа для разделения спиртосодержащих смесей, включающая бражную колонну непрерывного действия и спиртовую колонну периодического действия. Результаты исследований использованы при внедрении комбинированных установок малой мощности на предприятиях Краснодарского края.
Исследован массообмен на тарелках малогабаритных установок ректификации многокомпонентных спиртовых смесей с учетом эффектов взаимодействия при многокомпонентной массопередаче, термических
эффектов и влияния поверхностного натяжения. Разработан метод расчета процесса непрерывной ректификации, учитывающий особенности разделения многокомпонентных спиртовых смесей, основанный на последовательном применении процедур независимого расчета примесных компонентов и учета взаимовлияния всех компонентов.
Проведены исследования в области переработки вторичных продуктов брагоректификации, содержащих этиловый спирт: эфиро-альдегидной фракции, сивушных спиртов и сивушных масел. Разработаны установки по разделению этих продуктов на модернизированной БРУ с увеличением выхода ректификованного спирта, соответствующего требованиям ГОСТ Р 51652-2000 к пищевому этиловому спирту. Разработана двухзонная модель жидкости для описания фазового равновесия в бинарных и многокомпонентных спиртовых смесях с высоким содержанием примесных компонентов и получены уравнения для расчета коэффициентов активности компонентов. Построена математическая модель равновесного расслаивания на легкую и тяжелую жидкие фазы многокомпонентных спиртовых смесей, содержащих наряду с водой, этанолом и сивушным маслом эфиры, альдегиды и другие примесные компоненты.
Ведутся исследования по использованию для производства пищевого этилового спирта мельничной подготовки зерна, включающей полную очистку зерна в зерноочистительных отделениях, постадийный отбор всех некрахмалистых частиц зерна. Это позволит сократить расход воды, осахаривающих и бродильных ферментов, снизить температуру разваривания крахмальных зерен, избежать использования оборудования, работающего под высоким давлением, повысить качество ректификованного спирта.
Ведется разработка новой модели ионного обмена (диффузии с одновременной химической реакцией) на основе решения соответствующей краевой задачи. Это позволит дать более строгое описание массообменных процессов в твердой фазе и усовершенствовать процессы ионного обмена. Развитие и внедрение теории замкнутого процесса ректификации и одновременно теории нестационарного массообмена в многокомпонентных неидеальных смесях будет способствовать усовершенствованию процессов очистки спирта и ректификации эфирных масел. Важной практической задачей является разработка аппаратов, позволяющих на порядок повысить эффективность разделения.
Основные достижения школы в области разработки и совершенствования технологии виноделия и пивоварения (руководитель профессор Э.М. Соболев) базируются на тесной связи с крупными винодельческими предприятиями Кубани.
Одним из главных направлений научно-исследовательской работы кафедры технологий виноделия и пивоварения КубГТУ является разработка физико-химических основ технологии вин, пересыщенных диоксидом углерода. Впервые в мировой практике научно
обоснована и внедрена в производство технология шампанских вин из винограда машинного сбора. Усовершенствована технология игристых и газированных вин на основе исследования физико-химии поверхностных явлений на границе раздела фаз газ-жидкость, разработаны оригинальные методы идентификации типичности вин, пересыщенных диоксидом углерода. Осуществляется разработка новых методов приготовления ароматизированных вин игристого типа и жемчужных вин.
На основе исследований сырьевой базы винодельческих хозяйств Юга России совершенствуются технологии натуральных белых и красных вин, вин с остаточным содержанием сахара, полудесертных и десертных вин. Разработаны технологические схемы производства из местных сортов винограда вин типа херес, мадера, портвейн.
В области коньячного производства ведутся исследования физико-химических основ перегонки вина для получения коньячного спирта и его выдержки. Изучение покомпонентного химического состава коньячных спиртов и коньяков различного возраста позволило идентифицировать компоненты критериального характера, дающие возможность индексировать возраст и подлинность коньяков, создать базу для разработки приемов, направленных на совершенствование технологического процесса ускоренного получения коньяков и напитков коньячного типа.
Одним из научных направлений кафедры является разработка технологии и средств для осветления и стабилизации качества соков и вин, выполняемая под руководством профессора В.Т. Христюка. Изучено осветляющее и стабилизирующее действие бентонита, па-лыгорскита, гидрослюды, клиноптилолита, природных и искусственных смесей дисперсных минералов. Разработаны эффективные способы повышения осветляющих и стабилизирующих способностей минералов за счет активации и модификации их активных центров.
По основной тематике кафедры опубликовано более 500 научных статей, получено свыше 100 патентов РФ на изобретения.
При кафедре организована испытательная лаборатория, аккредитованная Госстандартом России на про-
ведение испытаний продукции винодельческой, ликероводочной и пивобезалкогольной отраслей. На базе лаборатории разработан метод идентификации коньячных спиртов и коньяков, модифицирован метод определения пенообразующей способности шампанских виноматериалов, разработаны и утверждены технологические инструкции на новые виды винодельческой и ликероводочной продукции.
Основными направлениями деятельности лаборатории являются проведение испытаний продукции по разрешенной области аккредитации, разработка нормативно-технической документации на новые виды продукции, стабилизация виноматериалов и вин к помутнению различной природы, разработка технологии производства газированных вин и сидров улучшенного качества, получение высококачественных напитков коньячного типа ускоренным способом.
В своих научных исследованиях ученые кафедры опираются на опыт ведущих предприятий России: ЗАО «Абрау-Дюрсо», ЗАО АПФ «Фанагория», ЗАО МПБК «Очаково», ЗАО «Игристые вина» (Санкт-Петербург), ОАО «Цимлянские вина», ОАО Агрофирма «Южная», ЗАО «Геленджик» и др.
Для студентов, обучающихся по специальностям пищевой и перерабатывающей промышленности, учеными объединенной научной школы создан основной курс по дисциплине «Основы научных исследований и защита интеллектуальной собственности».
Совместно с аспирантами и студентами разработан ряд оригинальных автономных устройств для низкочастотной электромагнитной обработки сырья, суб- и сверхкритической экстракции ценных компонентов из пряно-ароматического и лекарственного растительного сырья. Эти разработки неоднократно отмечены призами на краевых и республиканских смотрах-конкурсах.
Исследования, выполняемые в рамках объединенной научной школы, приносят огромную пользу народному хозяйству в промышленном освоении высоких технологий обработки сырья растительного и животного происхождения.
Поступила 30.12.11 г.
ACHIEVEMENTS OF UNITED SCIENTIFIC SCHOOL «ELECTROPHYSICAL, GAS-LIQUID AND NANOBIOTECHNOLOGICAL METHODS OF VEGETATIVE AND ANIMAL RAW
MATERIAL TREATMENT»
G.I. KASYANOV, V.V. DEREVENKO, E.M. SOBOLEV
Kuban State Technological University,
2, Moscovskaya st., Krasnodar, 350072; e-mail: [email protected], [email protected]
The main trends and results of the researches which are carried out within of united scientific school «Electrophysical, gas-liquid and nanobiotechnological methods of vegetative and animal raw material treatment» have been presented.
Key words: treatment of vegetative and animal raw materials, gas-liquid technologies, CO2-extraction, alcohol rectification, receiving vegetable oil, wine-making technology.
