CC BY
8
УДК 665.3.099.73.011.8.
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛО-МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ХЛОПКОВЫХ МАСЛИЧНЫХ КУЛЬТУР НА ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА Саидмуратов Уктам Азимович, к.т.н., доцент (e-mail: $>а1йтиго1ол>1@тай.ги) Хайитов Азизбек Нематович, магистр (e-mail: [email protected]) Бухарский инженерно - технологический институт, г.Бухара, Узбекистан
В статье рассмотрены смысловой и качественный анализ математических описаний элементарных процессов, входящих в математические модели тепло-массообменных процессов, которые позволяют рациональную степень их детализации и рассмотрения в виде подсистем в пределах иерархической структуры в целом.
Ключевые слова: иерархия, ступень, уровень, кинетическая энергия, клеточная стенка, дифференциальное уравнение.
Использование методов системного анализа [5] при решении задачи изучения процесса переработке масличных культур дают возможность учитывать все факторы, влияющие на смежные технологические процессы масложирового производства.
Стратегия системного подхода к построению математических моделей тепло-массообменных процессов (ТМОП) включает этапы качественного анализи структуры ТМОП, синтеза математических моделей ТМОП, а также проверку адекватности и идентификации параметров математических моделей.
Качественный анализ структуры ТМОП включает смысловой, то есть предварительный анализ апприорной информации о физико-химических, биохимических, биофизических и других особенностях ТМОП и математический, то есть качественный анализ структуры математических зависимостей, входящих в описание ТМОП.
Для построения иерархической структуры и проведения первого этапа смыслового анализа процессов, необходимо расчленять тепло- массооб-менные процессы протекающих одновременно с биопроцессами и влаго-термической обработки. Построение иерархической структуры позволяет вскрыть взаимосвязь явлений, происходящих в биофизикохимических процессах, выводить их математические описания на уровнях от атомарно-молекулярного до обрабатываемого слоя продукта, перерабатываемого в рассматриваемых аппаратах.
В связи с вышесказанной и согласно общим принципам системного анализа определяем иерархическую структуру наиболее часто используемых следующих ниже основных ТМОП, рассматривая при этом каждую как самостоятельную систему.
Рассмотрение совокупности химических, физико-химических, биохимических, биофизических, теплообменных, тепломассообменных явланий и процессов имеющих место в ТМОП целесообразно осуществить в 11 ступенях иерархии тепломассообменных процессов.
При этом число уровней иерархии каждой системы определяется сложностью ее структуры. В каждой иерархической ступени соответствующего ТМОП определяется своя подсистема с соответствующими основными входными и выходными параметрами, характеризующими поведение данной подсистемы, а также рассматриваются способы управления и улучшения организации процессов в подсистемах ТМОП.
Первый уровень иерархии характеризуется явлениям приема и стадий электронов атомами разных элементов и способностям стать их ионами. Структурными элементами атомов являются протоны, электроны и элементарные частицы.
Управление явлениями на данном уровне осуществляется повышением кинетической энергии атомов и возбуждением их электронов за счет внешних тепловых, световых, электромагнитных или других воздействий.
Второй уровень иерархии характеризуется физико-химическими взаимодействиями между атомами, свободными радикалами, молекулами, ионами, а также ионами-радикалами. Структурными элементами данного уровня являются микроэлементы, атомы элементов и их ионы.
Эффекты данного уровня определяют физико-химические свойства среды (кислоты, щелочи, основания) и ее фазовых состояний.
Управление явлениями данного уровня осуществляется изменением кинетической энергии молекул за счет внешнего теплового, светового, диффузионного или другого воздействия.
К третьему уровню иерархии относятся эффекты на уровне макромолекул - аминокислот, простых липидов и витаминов. Структурными элементами данного уровня являются кислые и основные группы молекул.
Наличие одновременно кислых и щелочных свойств обусловливает двойственную химическую природу аминокислот [4].
При ТМО процессах, благодоря амфотерным свойствам, аминокислоты играют роль буферов, а клетке связывая или иные анионы или катионы и уменьщая таким образом их концентрации [4], что поддерживает требуе-мум рН для ферментативной реакции.
В настоящее время известно около 80 природных аминокислот. Однако в белки входят только 20 из них. Остальные аминокислоты встречаются в природных материалах или в антибитиках в свободном виде [1,4].
В растениях широко распространены вещества, нерастворимые в воде, но хорошо извлекаемые углеводородами и эфиром-липидом [4].
Основную массу липидов семян составляно запасные липиды. Они представлены триглицеридами. В качестве продуктов неполного синтеза или гидролиза триацилглицеринов в масличных семенах присутствуют диацилглицерны, ионоцилглицерины и свободные жирные кислоты [4].
Они незначительно поглощают инфракрасной лучи с длиной волны от 0.76 до 3.5 мкм [3].
На данной ступени иерархии при сверхвысокочастотное (СВЧ) обработки мятки происходят конформационные изменения и окисление аминокислот, липидов.
Управление явлениями данного уровня осуществляется повышеннием тепловых колебений молекул и изменением химических свойств среды за счет внешнего теплового, светового, диффузионного или иного воздействия.
К четвертому уровня относятся биохимические реакции и эффекты на уровне белков, систем мембран и сложных липидов. Структурными элементами являются аминокислоты, глюкоза, липиды и витамины.
В свете современных представлений, денатурацию связывают прежде всего с изменением корформации белка, сопровождающимся потерей его биологических свойств. Управление ТМОП на данной ступени иерархии осуществляется за счет активизации ферментно - субстратного комплекса в системах мембран органоидов клетки.
Пятый уровень иерархии характеризуется биохимическими эффектами и процессами на органоидах цитоплазмы: митохондрии, ядра, ядрышка, хло-ропласты, рибосомы и вакуолы. Структурными элементами органоидов клетки являются белки, системы мембран, сложные липиды.
Митохондрии фигурируют во всех аэробных клетках растений. Во многих клеток митохондрии образуют непрерывную сеть- митохондриальный ретикулум. Форма, структура и размеры митохондрий также варируют.
Митохондрии содержат так называемые «плотные гранулы», повидимо-му, возникающие путем аккумуляции различных ионов, в часности, Са2+ [1].
При ИК - обработке в митохондриальных мембранах ускоряются элек-тронно-конформационные взаимодействия; при этом конформационная энергия трансформируется в химическую, т.е. электронную [1,6].
Конформационные изменения в белковой глобуле носят релаксационный характер [1]. Время колебательной релаксации активного центра фер-ментно - субстратного комплекса соответствует частоте ИК - излучения [6]. При биохимических реакциях энергия упругих колебаний глобулы может достигать 20-40 кДж/моль и обеспечивать значительное понижение эффективного активационного барьера [1].
Ядро - сравнительно просто организованная структура, имющая оболочку, ядрышко и хромосомы.
Ядрышко отличается от остальной массы ядри меньшей плотностью, В нем преобладают рибонуклеиновые кислоты (РНК).
При химическом исследовании ядра было выявлено, что на его долю приходится около 15% общего азота клетки. В сухом остатке ядра содержание нуклеиновых кислот достигает 30% , остальное падает на долю белка [4].
Хлоропласты содержат 35-50% белков, 30-35% липидов и 50% связанной воды [4]. Они играют важную роль в процессах фотосинтеза, при которых происходят новообразование органических веществ в растениях. В центре хлоропласта, которые затем сливаются.
Вакуоли заполнены клеточным соком, представляющим собой водный раствор различных органичеких веществ: сахаров, белков и их солей, дубильных веществ, гликозидов, водорастворимых витаминов [4].
Управление процессом на данной ступени осуществляется за счет взаимодействия ферментов на ситему мембран органоидов цитоплазмы.
Шестой уровень иерархии характеризуется совокупностями ТМО процессов на уровне клетки. Элементами данного уровня является структурные составляющие элементов клетки. К ним относятся стенки (оболочка) и цитоплазмы, а также содержащиеся в них основные органоиды: митохондрий, хлоропласты, пластиды, рибосомы, ядро, ядрышко, вакуолы и их система мембран.
Структурную основу стенок (оболочек) клетки образует целлюлоза в сопровождении инкрустирующих веществ (гемицелюлоза, пектин, лигнии) [4]. Содержание целлюлозы в ядрах масличных культур колеблятся в пределах 1.99 - 2.17% [2]. Толщина стенки клетки масличных культур варьируют в пределах от 0.3 до 0.94 мкм.
Под полисахаридной оболочкой каждая живая клетка окружена тоно-пластом - трехслойной липопротеиновой мембраной (белок - липид - белок) [4].
В клеточной стенке, наряду с обычными химическими (сильными) связями, имеют значение слабые связи - водородные, ионные, гидрофобные
[4].
Энергия кванта видомого и инфракрасная излучения сравнима с энергией, необходимой для разрыва водородных связей [3]. Пищевые продукты клетки имеют химические связи между атомами и молекулами, энергия которых выше кванта ИК- излучения. В связи с этим не следуют ожидать прямого химического действия на их состав ИК - обработки [3].
Исследования с участием автора данной работы [6] показали, что при инфракрасний воздействии на мятку кристаллическая структура клетчатки приходит в аморфное состояние или образуются активные участки. При этом под воздействием сообственных ферментом протекают биохимические реакции - распад целлюлозы и гемицеллюлозы на полисахариды с меньщей степенью полимеризации и моносахариды.
Управление биохимической реакцией - воздействие ферментов на клеточную стенку - осуществляется за счет внешнего теплового, диффузионного, сверхвысокочастотного - воздействия.
Седьмой уровень иерархии характеризуется совокупностями внутреннего ТМОП на уровне частиц материала. Структурными элементами является клетки и межклеточные вещества. Межклеточные вешества состоят из пектиновых веществ и гемицеллюлозы, которые скрепляют соединения
клетки. В ядрах растительных семян гемицеллюлоза и пектиновые вещества колеблются в пределах 1.6-3.365% [2,4].
Улучшение организации ТМОП в данной ступени иерархии достигается за счет изменений геометрических размеров частицы.
Перенос массы и энергии внутри частицы описывается дифференциальными уравнениями в частных производных.
Восьмой уровень иерархии характеризуется совокупностями элементарных ТМОП на уровне локального объема тока. Структурными элементами данного уровня иерархии являются элементарные частицы.
Управление процессом осуществляется за счет разностей температур, концентраций и облучения с определенной длиной волны и плотностью.
Математические модели подсистем включают математические описания ТМОП в частицах, тепловые и материальные балансы и уравнения равновесия систем.
В девятом уровне иерархии рассматривается ТМО процессы, протекающие в масштабе отдельных токов потока. Совокупность последовательно соединенных локальных объемов по расположению в слое материала образуются отдельные токи потока.
Улучшение организации процесса достигается за счет изменения параметров отдельных токов.
Математическая модель процесса включает описания процессов локальных объемов и выражается в виде систем дифференциальных уравнений в частных производных.
В десятом уровне иерархии рассматриваются ТМОП, протекающие в масштабе отдельных структур потоков. Совокупность отдельных токов с однотипными технологическими воздействиями образуют отдельные структуры потоков.
Улучшение организации процесса достигается за счет упорядочения параметров отдельных токов.
Математические модели представляют собой систему дифференциальных уравнений в частных производных.
Одиннадцатый уровень иерархической структуры составляет совокупность ТМОП в масштабе структуры потоков аппарате в целом и протекающие в функциональных конструктивных элементах аппарата.
Улучшение организации процесса достигается за счет изменения конструктивных параметров аппарата.
Полная математическая модель процесса, протекающего в масштабе аппарата включает в себя математические модели процессов, протекающих в функциональных и конструктивных элементах аппарата.
Анализ технологических процессов, протекающих в единичной биологической клетке мятки семян хлопчатника важен еще и потому, что позволяет наметить пути выбора и синтеза оптимальных параметров процесса, разработать высокоэффективные промышленные установки.
Список литературы
1. Волькенштейн М.В. Биофизика. - М.: Наука, 1988. - 592 с.
2.Голдовский А.М. Теоретические основы производства растительных масел. - М.: Пищепромиздат, 1958. - с 446.
3. Ильясов С.Г., Красников В.В. Физические основы инфракрасного пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленности, 1978. -358 с.
4. Колеус В., Павличек З. Биофизическая химия. - М.: Мир, 1985. -446 с.
5. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Липатов Л.Н. Системный анализ процессов химической технологии. - М.: Наука. 1982. - 344 с.
6. Сафаров А.Ф. Влаготепловая обработка масличных культур: Дис...докт. техн. наук. - Ташкент, 1991. - 297 с.
Saidmuradov Uktam Asimovic, Ph. D., associate Professor Bukhara engineering - technological Institute, Bukhara, Uzbekistan (e-mail: [email protected]) Hayitov Azizbek Kelimbetov, master (e-mail: [email protected])
Bukhara engineering - technological Institute, Bukhara, Uzbekistan THE STUDY OF HEAT-MASS TRANSFER PROCESSES IN THE PROCESSING OF COTTON OILSEEDS ON THE BASIS OF A SYSTEMATIC ANALYSIS
Abstract. The article considers the semantic and qualitative analysis of mathematical descriptions of elementary processes included in the mathematical model of heat-mass transfer processes that allow the rational degree of detail and consideration in the form of subsystems within the hierarchical structure as a whole.
Keywords: hierarchy, level, level, kinetic energy, cell wall, differential equation.
УДК 665.3.099.73.011.8.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛО-МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ИНФРАКРАСНОМ ТЕРМООБРАБОТКЕ МЯТКИ СЕМЯН ХЛОПЧАТНИКА Саидмуратов Уктам Азимович, к. т. н., доцент (e-mail: Saidmurо[email protected]) Уринов Илхом Ихтиёр угли, магистр (e-mail: [email protected]) Бухарский инженерно - технологический институт, г.Бухара, Узбекистан
На основе теоретических и экспериментальных исследований получена аналитико-эмпирическая модель процесса терморадиационной обработки мятки семян хлопчатника в среде растворителя.
Ключевые слова: интенсификация процесса, структура потоков, дифференциальные уравнения, терморадиационная характеристика, оптические свойста, биохимическая обраотка, аналитико-эмпирическая модель.
Известно, что методы математического моделирования тепло-массообменных процессов при инфракрасном термообработке применяют для изучения свойств мятки семян хлопчатника. В связи с этим при
