Реферат наукової роботи



Скачати 168.48 Kb.
Дата конвертації16.04.2016
Розмір168.48 Kb.


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Реферат наукової роботи

на здобуття премії Президента України для молодих вчених за видатні досягнення в галузі природничих, технічних та гуманітарних наук, які сприяють розвитку науки

ІННОВАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ СУШІННЯ ТА ЕКСТРАГУВАННЯ В ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПОЛЯХ


Капетула Світлана Михайлівна –


кандидат технічних наук, асистент Одеської національної академії харчових технологій

Ружицька Наталія Володимирівна –

кандидат технічних наук, асистент, молодший науковий співробітник Одеської національної академії харчових технологій

Борщ Артем Анатолійович –

інженер Одеської національної академії харчових технологій

2014


Актуальність роботи. Процеси сушіння та екстрагування є одними з основних у харчовій промисловості. Зокрема у харчоконцентратному виробництві сушіння є процесом який забезпечує необхідні технологічні властивості сировини, що іде на переробку, та тривалі терміни зберігання готової продукції. Екстрагування є основним способом одержання смакоароматичних та барвних речовин, а також олій з харчової сировини.

Метою роботи є вдосконалення технологій сушіння та екстрагування у харчових технологіях за рахунок застосування інноваційних принципів дії на харчову сировину, вивчення механізму та кінетики процесів екстрагування цільових компонентів з рослинної сировини з використанням мікрохвильового інтенсифікатора, кінетики процесів радіаційного сушіння, розробка відповідного інноваційного обладнання.


Наукова новизна роботи. В роботі розширюється наукове положення, про можливість суттєвого зниження дифузійного опору при екстрагуванні за рахунок організації бародифузійного потоку розчинника із сировини в умовах мікрохвильового поля. Висунуто гіпотезу, згідно з якою специфіку масопереносу в умовах традиційної конвективної дифузії та бародифузії, що виникає із твердої фази сировини під впливом мікрохвильового поля, можна визначити використанням ефективного коефіцієнту масовіддачі відносно рушійної сили між концентраціями цільового компонента у твердій фазі та в екстрагенті.

Створено автоматизований комп’ютерний стенд для дослідження кінетики процесів сушіння харчової сировини.

Вперше проведено сушіння шламу кави інфрачервоним випроміненням. Отримано кінетичні залежності для процесів ІЧ-сушіння шламу кави у нерухомому та рухомому шарі.

Розроблено методику узагальнення експериментальних даних з урахуванням комбінованої кінетики внутрішньо- та зовнішньодифузійних процесів переносу. Методом «аналізу розмірностей» обґрунтована структура рівняння в узагальнених змінних для розрахунку комбінованих періодичних процесів екстрагування з рослинної сировини. Розроблено методи експериментального моделювання, які дозволяють визначити коефіцієнт масовіддачі в умовах виникнення бародифузії і узагальнити результати експериментів.

Вперше визначена залежність впливу потужності мікрохвильового поля, температури, розміру частинок, гідромодуля на зміну концентрації і значення коефіцієнта масовіддачі; співвідношення безрозмірних чисел подібності для розрахунку інтенсивності масоперенесення в екстракторах із мікрохвильовим інтенсифікатором при виробництві олії із насіння амаранту та шламу кави.

Визначені граничні значення вилучення олії та ароматичних речовин зі шламу кави в умовах мікрохвильового підведення енергії.



Практична значимість. В результаті виконання роботи запропоновано схему утилізації та переробки кавового шламу у цінний продукт – олію кави. Процеси ІЧ-сушіння та екстрагування у мікрохвильовому полі рекомендуються для суттєвої інтенсифікації дифузійних процесів масообміну. Енерговитрати процесу ІЧ-сушіння шламу склали 3,1…3,2 МДж/кг видаленої вологи, в той час, як для існуючого обладнання цей показник складає не менше 4 МДж/кг. Визначено рівняння для розрахунку екстракційного обладнання періодичної дії для екстрагування шламу кави у мікрохвильовому полі. Показано, що запропонована мікрохвильова обробка шламу під час екстрагування забезпечує зменшення тривалості та енергоємності процесу. Результати дослідження впроваджуються на ПАТ «ЄННІ ФУДЗ», м. Одеса.

Результати промислових випробувань мікрохвильового екстрактору для одержання олії кави наведено у табл. 1.

Таблиця 1

Характеристики екстрактора при екстрагуванні етанолом

(n=3, p≥0,95)


Показник

Гідромодуль

1:3

1:5

Маса шламу, кг

4,2

2,5

Маса екстрагенту, кг

10

10

Потужність магнетрону, Вт

3000

3000

Тривалість екстрагування, хв

32

36

Температура, ºС

78,5

78,5

Питома потужність, Вт/кг

215

240

Витрати енергії, МДж/кг суміші

0,4

0,46

Тривалість відгонки, хв

53

53

Витрати електроенергії, кВт-год

4,25

4,45

Вихід олії, кг

0,57

0,37

Запропонована у роботі схема переробки шламу є новою для підприємства. На ринку роздрібна ціна за 1 кг олії кави складає до 3000 грн (нерафінована олія холодного віджиму, виробництво Колумбії).

Про економічну ефективність впровадження технології можна судити за терміном окупності обладнання та точкою беззбитковості. Точка беззбитковості – це обсяг продукції, який необхідно виробити, щоб покрити постійні витрати.

Витрати на виробництво 1 кг олії запропонованим способом складаються з витрат енергії на сушіння шламу, екстрагування, відгонку екстрагенту, оплату праці персоналу, капітальних витрат на виготовлення екстрактору. Шлам є відходом власного виробництва підприємства, таким чином витрати на його придбання відсутні. Екстрагент регенерується після кожного циклу, тобто витрати екстрагенту мінімальні.

Витрати енергії на процес сушіння обчислюються наступним чином:

, кВт-год (1)

де Qсуш - витрати енергії на процес ІЧ-сушіння шламу;

q – питомі витрати енергії на 1 кг видаленої вологи, МДж/кг. Для ІЧ-сушіння шламу вони складають 3,2 МДж/кг;

mвол – маса видаленої вологи, кг.

Витрати енергії на процес екстрагування та видалення екстрагенту (Qекстр) для 1 кг олії складають 7,45 кВт-год.

Таким чином витрати на енергію для виробництва 1 кг олії кави обчислюються наступним чином:



, грн (2)

де Цен – вартість 1 кВт-год електроенергії, яка для підприємств складає 0,81 грн за 1 кВт-год.

Капітальні витрати на виготовлення екстрактору складають 12 тис. грн.

Приймаємо оптову ціну 1 кг (Цкг) олії кави 600 грн.

Тоді обсяг виробництва у грошовому виразі складе:

, грн (3)

де Мо – обсяг виробленої олії за рік, кг;

Прибуток складе:

, (4)

де – вартість екстрактора, грн.;



– оплата праці персоналу;

Це – ціна екстрагенту, грн.

Термін окупності екстрактора обчислюємо за формулою:



, років (5)

Для виробництва 1 т олії потрібно близько 30 т вологого шламу. На рік підприємство викидає 200…250 т шламу, тобто дефіциту сировини не спостерігається.

Визначаємо точку беззбитковості в одиницях продукції:

, (6)

де ТБ – точка беззбитковості, т; Зов – загальні (постійні) витрати на лінію; Ц – ціна 1 т олії; ВП – витрати на виробництво 1 т олії.

Для олії кави за запропонованою схемою вона складає 0,0232 т, або 23,2 кг олії.

Тоді за умови виробництва 1 т олії на рік показники економічної ефективності будуть наступні (табл. 2):

Таблиця 2

Економічна ефективність виробництва олії кави зі шламу



Показник




Обсяг реалізації, тис. грн

600

Витрати на електроенергію та оплату праці, тис. грн

73,4

Витрати на обладнання, тис. грн

12

Інші витрати, тис. грн

8,5

Витрати на екстрагент, тис. грн

1,2

Прибуток, тис. грн

506,1

Термін окупності екстрактора, років

0,02

Тобто впровадження екстрактора окупається менше, ніж за 1 рік, що є високим показником економічної ефективності. Це головним чином зумовлене високою ціною продукту та низькими енерговитратами.

Розроблений і запропонований спосіб одержання олії із насіння амаранту під дією електромагнітного поля дозволяє використовувати його для виробництва олії із різних видів рослинної сировини.

Розроблена установка для отримання дослідних зразків рослинних олій дозволяє здійснювати процес екстрагування в умовах виробництва і може бути використана при дослідженнях процесів екстрагування інших поєднань «зерно – екстрагент».

Порівняльна характеристика розробленого екстрактору з мікрохвильовим інтенсифікатором та екстрактора марки ГОРО «Інженірінг» наведена в табл. 3.

Таблиця 3

Характеристики екстракторів


Параметри

Марка екстрактора

ГОРО «Інженерінг»

з мікрохвильовим інтенсифікатором

Максимальна маса сировини, кг

3

2

Об’єм екстрактора, л

10

8

Потужність, кВт

3,0

1,225

Питома кількість теплоти, МДж/кг

24

8,3

Проведені стендові випробування показали, що питомі витрати енергії на 1 кг олії в розробленому екстракторі майже в 3 рази менші ніж у промисловому екстракторі марки ГОРО «Інженірінг».

Проведено хімічний аналіз екстрактів амарантової олії в «Укрметертестстандарт» м. Києві, «Вищій хіміко-технологічній школі» м. Прага, що показав привабливість продукту в зв’язку із підвищеним вмістом сквалену, токоферолів, лінолевої та ліноленової кислот.

Вільні кислоти за даними дослідження складають 22…27 % від суми екстрактивних речовин.

Усереднені результати ідентифікації жирокислотного комплексу вільних кислот екстракту представлені в табл. 4.

Таблиця 4

Порівняння вмісту масової частки жирних кислот


Масова частка жирних кислот (відносна), %

гексан

спирт

Тетрадеканова (С 14:0)

0,1

0,2

Пентадеканова (С 15:0)

0,1

0,1

Гексадеканова (С 16:0)

13,7

16,8

Гексадеценова (С16:1)

0,4

0,4

Гептадеканова (С 17:0)

0,1

0,1

Октадеканова (С 18:0)

3,0

3,5

цис 9-Октадеценова (с9-С 18:1)

24,0

25,0

цис 11-Октадеценова (с11-С 18:1)

1,43

1,3

Виявлено, що крім жирних кислот, в отриманому комплексі міститься ряд біологічно активних речовин: сквален, токофероли (табл. 3). Оскільки вміст сквалену в амарантовій олії найвищий серед відомих олій, тому є сенс виділяти сквален саме з амарантової олії.

Суттєвою перевагою бародифузійних технологій є той факт, що значно полегшується вихід із «твердої фази» крупних молекул і поєднань. Саме такі можливості дозволяють збільшити ступінь вилучення сквалену і токоферолів при виробництві олії із насіння амаранту.

Таблиця 5

Показники якості олії з насіння амаранту


Розчинник

Масова доля сквалену, г/кг

Масова доля токоферолу, мг/кг

Α

β

δ

гексан

8,2

301

410

96

спирт

33,1

402

855

181

З табл. 5 видно, що спосіб екстрагування під дією мікрохвильового поля в порівнянні із традиційними технологіями дозволяє в 4 рази підвищити вихід більш цінного компоненту – сквалену. Майже в 2 рази підвищився вихід токоферолів. Отримані результати доказують високу ефективність способу.

Розраховано екстракційний апарат і отримані робочі режими для екстрагування олій із рослинної сировини, які передані для впровадження ТОВ «Українській Чорноморській Індустрії» м. Іллічівськ.

Економічна ефективність впровадження мікрохвильового екстрактору підтверджується наведеними нижче розрахунками (табл.5).

Таблиця 6

Техніко-економічна характеристика обладнання



Показники

Позначення

Устаткування

НД - 1250

Екстрактор із МХІ

Технічна норма продуктивності, л/рік

ТНп

500

1000

Маса зерна, кг

М

9000

14000

Установлена потужність струмоприймачів, кВт

УПс

16,85

19,85

Екстрагент, м3/год

СПе

14,3

18,9

Чисельність обслуговуючого персоналу, чол.,

У тому числі:

2-го розряду

3-го розряду



ЧП

2

2

1



2

1

1



Ціна придбання устаткування, грн

Цп

100000

200000

Капітальні вкладення у розробку нового обладнання КВру=Цп*ДВ1*ДВ2

КВру = 200000*1,7*1,4 = 476000 грн

де ДВ1 – індекс додаткових витрат на розробку нового обладнання, коливається в межах 1,7 – 2,3

ДВ2 – індекс інфляції за період створення нового обладнання, коливається в межах 1,4 – 1,5

Розрахунок поточних витрат по устаткуванню

Амортизація устаткування:



НАУ – норма амортизації для усіх видів устаткування – 0,24


  • яке замінюється ()

  • яке розробляється ()

Витрати на ремонтні роботи по устаткуванню:



НРУ – норма витрат на ремонтні роботи по устаткуванню

  • яке заміняються ()

  • яке розробляється ()

Витрати на утримання і експлуатацію устаткування:

НУЕ – норма витрат на утримання експлуатації устаткування



  • яке заміняються ()

  • яке розробляється ()

Витрати по електроенергії спожиті устаткуванням:

  • що замінюється

Таблиця 7

Найменування

Од.вим.

Річне споживання

Вартість одиниці, грн.

Річні витрати, грн

Електроенергія

кВт.год

(7600*16,85*0,8)

0,40

40979,2

  • що розроблюється

Таблиця 8


Найменування

Од.вим.

Річне споживання

Вартість одиниці, грн.

Річні витрати, грн

Електроенергія

кВт.год

(7600*19,85*0,8)

0,40

48275,2

Таблиця 9

Зведення витрат за рік по замінюваному і впровадженому устаткуванню, грн.


Найменування витрат

Устаткування

НД -1250

МХІ

Амортизаційні відрахування

24000

48000

Витрати на ремонтні роботи по устаткуванню

4200

8400

Витрати на утримання і експлуатацію устаткування

1600

3200

Витрати на електроенергію

40979,2

48275,2

Основна і додаткова заробітна плата робочих, обслуговуючих устаткування

68172

80547,84

Відрахування у соціальні фонди на основі заробітної плати робітників, обслуговуючих устаткувння

25564,5

30205,44

Всього

164515,7

188628,48

Робимо коректування витрат по устаткуванню, яке замінюється:

ЕВок =ЕВо*Кк= 164515,7 * 2 = 329031,4 грн.

Показники економічної ефективності капітальних вкладень

У цьому випадку прибуток від заміни устаткування (П) визначений зниженням сукупних (річних) витрат:

П = ЕВок - ЕВ1

П = 329031,4 – 188628,48 = 140402,92 грн.

Строк окупності капітальних вкладень у розробку нового обладнання складе

Т = 476000: 140402,92 = 3,4 роки

Висновки

Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено наукове положення щодо інтенсифікації процесів масоперенесення при екстрагуванні із рослинної сировини під дією мікрохвильового поля за рахунок бародифузії.

Підтверджено суттєву інтенсифікацію процесу сушіння в умовах радіаційного підведення енергії, коли з повітря знімається функція теплоносія. В результаті експериментальних досліджень кінетики зневоложення шламу кави під дією ІЧ-випромінення, виявлено, що швидкість сушіння як у нерухомому шарі, так і у рухомому сягає 2…2,5 %/хв.

Встановлено, що в залежності від співвідношення режимних параметрів значення коефіцієнту масовіддачі при екстрагуванні із рослинної сировини можна збільшити в 1,5…10 рази в порівнянні з традиційними технологіями, а ступінь вилучення екстрактивних речовин із насіння амаранту можна довести до рівня 30…35 %, шламу кави – 20 %.

Встановлено умови найбільш ефективного вилучення олії амаранту, а саме значення гідромодуля 1:3…1:5, ступінь подрібнення 0,3…0,6 мм.

Встановлено умови найбільш ефективного вилучення олії кави, а саме значення гідромодуля 1:3 – 1:5, режим кипіння екстрагенту у мікрохвильовому полі.

Виявлено вплив характеру екстрагенту на якість отриманої олії та на інтенсивність масопереносу у мікрохвильовому полі. Встановлено, що полярний розчинник етанол є більш ефективним екстрагентом в умовах мікрохвильового підведення енергії, ніж неполярні гексан та нефрас.

Доведено, що значний вплив на значення коефіцієнту масовіддачі має потужність мікрохвильового поля. Підвищення потужності МХП в 1,2…1,5 рази приводить до збільшення виходу екстрактивних речовин на 16 %. Число пароутворення (Bu), яке виражає співвідношення потужності мікрохвильового поля та потужності, що необхідна для перетворення всієї рідини в пару, враховує вплив МХП на інтенсивність екстрагування та узгоджує масив експериментальних даних, із похибкою 8…9 %.

Запропоновані інженерні методики розрахунку екстракторів періодичної дії з мікрохвильовим інтенсифікатором можуть бути використані для комп’ютерного моделювання.

Виробниче випробування екстрактору з МІ підтверджує коректність запропонованої інженерної методики проектування мікрохвильових екстракторів. Розроблений екстрактор в порівнянні із промисловим зразком марки ГОРО «Інженірінг» потребує питомої кількості теплоти 8,3 МДж/кг. Термін окупності екстрактору становить 3,4 роки. Розроблений екстрактор забезпечує високу якість олії із насіння амаранту Вихід сквалену становить 33,1 – 38,8 г/кг. Лінія одержання олії кави зі шламу впроваджені на ПАТ «ЄННІ ФУДЗ», м. Одеса. Питомі енерговитрати розробленого екстрактора складають 7,5…12 кВт-год на 1 кг олії. Економічний ефект для підприємства за умови виробництва 1 т олії на рік складає 450…500 тис. грн.



Публікації. Результати досліджень опубліковано у 39 друкованих працях, з них 23 у фаховіх виданнях України, 5 у закордонних виданнях, одержано 1 патент на корисну модель.



База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка