CC BY
73
УДК 621.01
Е.В. Мищенко, кандидат технических наук ФГОУ ВПО Орел ГАУ В.Я. Мищенко, кандидат технических наук ФГОУ ВПО ЮЗГУ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭКСТРАКЦИИ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА С ПРИМЕНЕНИЕМ ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
В работе представлены результаты математического моделирования процесса виброэкстракции пектиновых веществ из свекловичного жома.
Ключевые слова: вибрация, моделирование, пектин,
экстракция.
Введение
В настоящее время одной из острых проблем является проблема создания экологически безопасных пищевых и перерабатывающих производств. В связи с этим возникает задача утилизации отходов. Особенно это касается свеклосахарного производства, в котором вторичные сырьевые ресурсы, в частности, свекловичный жом, составляют 80-83 % к массе переработанной свеклы. Между тем, свекловичный жом является одним и. основных источников
получения ни.кометоксилированного пектина, который может быть исполь.ован для прои.водства пищевых продуктов и напитков о.доровительного, защитного, лечебного и профилактического на.начения.
Для интенсификации процесса и.влечения
пектиновых веществ и. пектиносодержащего раствора существуют ра.личные способы, одним и. которых является вибрационное во.действие. Оно по.воляет .начительно ускорить процессы
массообмена, сни.ить себестоимость и повысить качество получаемого продукта. В некоторых случаях исполь.ование вибрации по.воляет со.давать новые технологические процессы, которые бе. вибрации были бы нерентабельны.
Основным процессом при получении пектиновых веществ из растительного сырья (например, свекловичного жома) является экстракция. В то же время теоретические основы этого процесса в настоящее время изучены недостаточно. Отсутствует комплексная модель процесса, учитывающая как мембранные свойства оболочки растительного сырья, так и возможности управляемой экстракции. Поэтому задача моделирования процесса экстракции пектиновых веществ и. свекловичного жома является актуальной. Моделирование процесса
экстрагирования позволяет на стадии проектирования и.учить данный процесс при тех или иных технологических параметрах, выявить оптимальный закон движения рабочего органа и структуру будущей установки или машины. Это особенно важно в тех случаях, когда технологической обработке подвергаются вещества с новыми свойствами, когда нет ясной картины механи.ма в.аимодействия рабочего органа с обрабатываемой средой.
Изучению процесса экстракции в системе твердое тело-жидкость в пищевой промышленности посвящены работы многих исследователей [1, 2].
The results of the mathematical modeling of the vibroextraction process of the pectin substances from sugar beet pulp are presented in this work.
Key words: vibration, modeling, pectin, extraction.
Основным недостатком этих работ является то, что многие из них являются эмпирическими и экспериментальными, в них рассматриваются отдельно гидродинамические, тепловые и
массообменные процессы и не учитывается внешнее (например, вибрационное) воздействие. Поэтому необходимо решить комплексную задачу,
позволяющую учесть все действующие факторы.
Скорость процесса экстрагирования в системе твердое тело-жидкость зависит от следующих факторов [2]:
- величины движущей силы процесса;
- скорости каждой из стадий процесса (переноса вещества внутри твердой частицы, массоотдачи от поверхности частицы к экстрагенту, набухания частиц, растворения целевого компонента внутри частицы);
- размера и формы частиц;
- вида слоя частиц, который они образуют (подвижный, неподвижный);
- соотношения масс экстрагента и твердых частиц;
- характера относительного движения твердых частиц и экстрагента (противоток, прямоток, рециркуляция жидкости);
- температуры;
- скорости движения фаз.
В тех случаях, когда лимитирующей стадией процесса является массоотдача от поверхности частиц к экстрагенту, возникает необходимость применять перемешивание, вибрацию и другие средства, интенсифицирующие массоотдачу.
Материалы и методика исследований
Перенос вещества диффузией и конвекцией описывается с помощью дифференциальных уравнений параболического типа. Общее модельное уравнение диссипации, конвекции и кинетики запишем в виде [3]:
Эи ,Э 2u du , „/ \
— = d—-a—+bu + f(t, x), (1)
dt dx dx
где a, b, d - постоянные коэффициенты (d > 0).
Первое слагаемое в правой части уравнения соответствует переносу вещества диффузией, второе
- конвективному переносу, третье - источнику, пропорциональному концентрации (кинетический член), четвертое - внешнему источнику.
При массопередаче в системе твердое тело-жидкость скорость процесса в каждый данный момент времени зависит не просто от средней
концентрации в твердой частице, но от поля концентраций и характера его изменения в процессе экстракции. Для того чтобы математически описать процесс экстрагирования из твердого тела, необходимо решить дифференциальное уравнение нестационарной диффузии при вибрационном воздействии:
дс дс дс дс
— + — V +— V +— V = дт дх х дy у дz z
Ґ ТЬ2^ З2^ Л , (2)
где
= D
дс_
дт
д 2c д 2c Э 2c
Эх2 + ду2 + Эг2
+ awLy cos wt
- локальное изменение концентрации;
конвективное изменение
^V +—V -
дх х ду у дг г
концентрации; Б - коэффициент диффузии; а -амплитуда колебаний жидкости; о> - частота
колебаний; у - единичный вектор, направленный вертикально вверх.
Для одномерной задачи (расчетная схема представлена на рисунке 1, где ст и сж - концентрация вещества в твердом теле и в ядре потока жидкости соответственно) математическую модель запишем следующим образом [4]:
дс дс (д2-Л
— + — К = D
дт дх х
clc
dx
дх2
+ aw cos wt. (3)
Рисунок 1 - Расчетная схема процесса экстракции
Дополнительно к составленному уравнению:
- граничные условия, зависящие от формы сосуда -непротекание и неприлипание к стенкам сосуда;
- массообмен на границе фаз для системы твердое тело-жидкость, для рассматриваемого случая - это граничные условия третьего рода [2]:
1 = ~в(спт - СЖ ) , (4)
V ) п=0
где в - коэффициент массоотдачи; спт -концентрация на поверхности твердого тела; сЖ -
концентрация экстрагента в жидкой фазе; п -направление, нормальное к элементу поверхности;
- геометрические условия однозначности, то есть известны форма и размеры частиц;
- физические условия однозначности,
характеризующие физические и диффузионные свойства сред, участвующих в процессе (коэффициент диффузии, плотность жидкости, ее кинематическая вязкость);
- начальные условия (при т = 0) - начальная скорость V0(x,y,z,t) = 0, начальная концентрация в растворе (жидкой фазе) С 0 ж = 0, в веществе (твердой фазе) - С0 т = Смах-т = const, на входе в слой физические свойства растворителя постоянные.
Представленная математическая модель, описывающая процесс виброэкстракции, позволяет провести теоретические исследования в данной области и .атем сравнить их с экспериментальными данными, что будет являться новым подходом в решении задачи, поскольку предыдущие
исследования ба.ировались, в основном, на экспериментальных работах и эмпирических .ависимостях.
Результаты и их обсуждение
При численном моделировании и решении .адач механики сплошной среды применяются методы конечных разностей и конечных элементов. Анализ ра.личных численных методов пока.ывает, что наиболее подходящим, обеспечивающим устойчивый счет, является метод крупных частиц (МКЧ) [5]. Основная идея метода состоит в расщеплении по фи.ическим процессам исходной нестационарной системы уравнений, .аписанных в форме .аконов сохранения. Стационарное решение задачи, если оно существует, получается путем расчета переходного режима системы и. начальных условий при многократном повторении вычислений по времени. МКЧ позволяет осуществить численный эксперимент, который .анимает сравнительно небольшое время на ЭВМ, обеспечивает устойчивый счет. Среда здесь моделируется системой из жидких (крупных) частиц, совпадающих в данный момент времени с ячейкой эйлеровой сетки.
Исходными данными являются реологические параметры твердого тела (материала), параметры вибрации (частота f и уровень вибрационного
Г )
ускорения Г — —), геометрические размеры сосуда, g
его форма, начальное расположение материала, его начальная скорость и концентрация целевого вещества. Для описания начального расположения материала в момент времени t=0 значение концентрации в соответствующих крупных частицах приравнивается к некоторому значению Сн.
При изучении динамики процесса экстрагирования были рассмотрены гармонический и
полигармонический законы изменения вибрационного ускорения, для которых выполняется условие:
14(1 )Л = 0; -#„„ = 2Е , (5)
0
где 4 - вибрационное ускорение; Е - постоянная; Т - период вибрационного действия.
Для виз#ализации пол#ченных рез#льтатов использовался пакет программ, разработанных на кафедре теоретической механики и мехатроники Юго-Западного гос#дарственного #ниверситета. Разработанная методика позволяет исследовать поведение жидкой среды при вибрации, пол#чить эпюры изменения концентрации, проекций скоростей, которые дают возможность исследовать особенности процесса экстрагирования при различных #словиях. Задача решалась в безразмерном виде, чтобы иметь возможность интерпретировать результат для различных конфиг#раций экстракторов и различных исходных твердых тел.
Рисунок 2 - Изменение концентрации пектиновых веществ с течением времени (Дг=0,0001):
1 - гармоническое воздействие; 2 - полигармоническое воздействие
Для проверки адекватности математической модели процесса экстракции, описываемой уравнениями (3), была проведена серия численных расчетов. Определялась концентрация пектиновых
веществ в растворе в зависимости от продолжительности процесса. На рисунке 2 приведен график зависимости изменения величины концентр ации пектиновых веществ в растворе с течением времени при гармоническом и полигармоническом воздействии на рабочую среду.
Выводы
Проведенное моделирование показало, что
вибрационной воздействие интенсифицир#ет процесс экстракции пектиновых веществ из свекловичного жома, а также то, что на скорость изменения концентрации пектиновых веществ в экстракте влияет вид вибрационного нагр#жения, его параметры и реологические характеристики обрабатываемой среды.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и была поддержана Госконтрактом № П1576 от 10.09.2009 г.
Литература
1. Лысянский В.М., Гребенюк С.М.
Экстрагирование в пищевой промышленности. - М. Агропромиздат, 1987. - 187 с.
2. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Процессы и аппараты пищевой технологии. - М.: Колос, 1997. -551 с.
3. Любимов, Д.В. Динамика поверхностей раздела в вибрационных полях [Текст]: / Д.В.Любимов, Т.П.Любимова, А.А.Черепанов, - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 216 с.
4. Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Мищенко Е.В. Влияние вибрационного воздействия на процесс экстракции в пищевой промышленности // Известия вузов. Пищевая технология. № 4. 2009. - С. 70 - 72.
5.Яц#н, С.Ф. Вибрационные машины и технологии [Текст]:/ С.Ф. Яцун, Д.И.Сафаров, В.Я.Мищенко, О.Г. Локтионова; Элм, Бак#. 2004. - 408 с.
УДК 33.338.24
В.И. Савкин, кандидат сельскохозяйственных наук ФГОУ ВПО Орел гау
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ АГРАРНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ -ОСНОВА УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ
Рассмотрены эколого-экономические проблемы
современного аграрного сектора экономики и предложены приоритетные направления развития сельских территорий. Сформирована структурная схема разработки экологических программ как базиса устойчивого развития сельских территорий.
Ключевы1е слова: эколого-экономическое развитие, отходы производства и потребления, сельские территории, устойчивое развитие, экологическая программа.
Техногенный тип развития, опирающийся на рост потребления, приводит к дисбалансу экономической и экологической систем. Формирование нового понимания процесса развития требует нестандартных подходов, адаптированных к современным тенденциям на основе учета инструментов
Environmental and economic problems of the modern agricultural sector are considered and priorities for rural development are proposed. Formed a block diagram of the development of environmental programs as a basis for sustainable rural development.
Key words: environmental-economic development, production wastes and consumption, rural territories, a sustainable development, the ecological program.
регулирования эколого-экономических систем. Современная экономика поставила перед обществом задачу перехода к развитию, позволяющему удовлетворять потребности нынешних поколений, не нанося при этом ущерба возможностям будущих поколений [1, 2, 3].
Вестник ОрелГ Ay
июнь
№3(30)
2011
Теоретический и научно-практический журнал. Основан в 2005 году
Учредитель и издатель: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Орловский государственный аграрный Университет»____________________________________________
Редакционный совет: Парахин Н.В. (председатель) Амелин А.В. (зам. председателя) Астахов С.М.
Белкин Б.Л.
Блажнов А.А.
Буяров В.С.
Гуляева Т.И.
Гурин А.Г.
Дегтярев М.Г.
Зотиков В.И.
Иващук О.А.
Козлов А.С.
Кузнецов Ю.А.
Лобков В.Т.
Лысенко Н.Н.
Ляшук Р.Н.
Мамаев А.В.
Масалов В.Н.
Новикова Н.Е.
Павловская Н.Е.
Попова О.В.
Прока Н.И.
Савкин В.И.
Степанова Л.П.
Плыгун С.А. (ответств. секретарь) Ермакова Н.Л. (редактор)
Адрес редакции: 302019, г. Орел, ул. Генерала Родина, 69. Тел.: +7 (4862) 45-40-37 Факс: +7 (4862) 45-40-64 E-mail: nichо[email protected] Сайт журнала: http://ej.orelsau.ru Свидетельство о регистрации ПИ <ФС77-21514 от 11.07. 2005 г.
Технический редактор Мосина А.И. Сдано в набор 14.05.2011 Подписано в печать 28.06.2011 Формат 60х84/8. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.
Объём 14,8 усл. печ. л. Тираж 300 экз. Издательство Орел ГАУ, 302028, г. Орел, бульвар Победы, 19. Лицензия ЛР<021325 от 23.02.1999 г.
Журнал рекомендован ВАК Минобрнауки России дл) публикаций научных работ, отражающих основное научное содержание кандидатских и докторских диссертаций
Содержание номера
Научное обеспечение развития селекции Амелин А.В., Кузнецов И.И., Чекалин Е.И. Особенности фотосинтеза в онтогенезе
различных по эколого-географическому происхождению сортов сои.................... 2
Зотиков В.И., Головина Е.В. Взаимосвязь интенсивности азотфиксации и фотосинтеза
у новых сортов сои северного экотипа............................................. 5
Фесенко А.Н., Бирюкова О.В., Фесенко И.Н., Шипулин О.А., Фесенко М.А.
Особенности динамики цветения растений мутантных морфотипов гречихи.............. 9
Новикова Н.Е., Фенин Д.М. Влияние морфотипа листа у гороха на показатели водного
обмена, определяющие устойчивость растений к засухе.............................. 13
Хатефов Э.Б., Кагермазов А.М., Кушхова Р.С., Мадянова В.Н. Повышение
засухоустойчивости тетраплоидных популяций кукурузы.............................. 17
Резвякова С.В. Экологическое обоснование выбора режимов искусственного
промораживания плодово-ягодных культур в условиях ЦЧР............................ 26
Пикунова А.В. Использование молекулярных маркеров для оценки исходного
селекционного материала ягодных культур.......................................... 29
Сазонов Ф.Ф., Подгаецкий М.А. Потенциал продуктивности исходных форм и
гибридов смородины чёрной........................................................ 32
Ожерельева З.Е., Красова Н.Г., Галашева А.М. Потенциал устойчивости сортов яблони в зимний период......................................................... 35
Научное обеспечение развития растениеводства Лобков В.Т., Донская М.В., Васильчиков А.Г. Повышение эффективности
симбиотических систем нута (Сквг апвйпит Ь.)..................................... 39
Мельник А.Ф. Предшественник - основа повышения качества зерна озимой пшеницы... 43 Стебаков В.А., Лопачёв Н.А., Басов Ю.В., Наумкин В.Н. Эффективность
возделывания гречихи в условиях Центрально-Черноземного региона.................. 47
Титова Е.М., Внукова М.А. Применение водорастворимых комплексных удобрений на
посевах яровойпшеницы............................................................ 50
Половитсков В.А., Степанова Л.П., Коренькова Е.А. Влияние удобрительных форм и
сортовых особенностей на формирование корневой системы зернобобовых культур...... 51
Гурин А.Г., Кузяева О.С., Кожухов А.Д. Экономическая эффективность использования
фильтрата спиртовой барды в качестве нетрадиционного удобрения................... 56
Лысенко Н.Н., Прудникова Е.Г., Хилкова Н.Л., Чекалин Е.И. Влияние фунгицида
пропиконазол на растения яровых зерновых культур в условиях засухи и патогенеза.. 58
Догадина М.А. Агроэкологические аспекты снижения экотоксикологической нагрузки
поллютантов на окружающую среду.................................................. 64
Селезнев К.А., Плыгун С.А. Прогноз продвижения стронциевой провинции в районе
водозаборов сельскохозяйственных предприятий Орловской области................... 69
Бессонова Е.А. Тенденции состояния сельскохозяйственных земель России............ 72
Методические вопросы развития сельскохозяйственной биотехнологии
Павловская Н.Е., Гагарина А.Ю. Хроматографический анализ факторов апоптоза в
растительных объектах............................................................ 75
Оскотская Э.Р., Басаргин Н.Н., Гаврин С.А. Определение С(1 (II) в растительных объектах после предварительного концентрировани) сорбентом полистирол-2-амино-
азо-2'-окси-5'-хлор-3'-сульфобензол.............................................. 78
Мищенко Е.В., Мищенко В.Я. Моделирование процесса экстракции пектиновых веществ из свекловичного жома с применением вибрационного воздействия.......... 80
Экономические аспекты развития аграрного сектора
Савкин В.И. Эколого-экономическое управление аграрным производством - основа
устойчивого развития сельских территорий......................................... 82
Грищенков А.И. Генезис инноваций: основные теоретические аспекты................. 87
Мансуров Р.Е. Об экономической сущности понятия «конкурентоспособность
агропромышленного предприятия»................................................... 91
Гитинова Е.М. Совершенствование методов планирования и прогнозирования на
предприятиях АПК................................................................. 94
Сухочева Н.А., Осипов А.Э. Новационная активность производства нетрадиционных
сельскохозяйственных культур - основа эффективной аграрной экономики............. 101
Каменева К.П. Система управлени) человеческим капиталом в аграрном секторе
экономики........................................................................ 106
Адук Р.Р. Управление инновационным развитием сельского хозяйства России.......... 111
© ФГОУ ВПО Орел ГАУ, 2011
