Диссертация на соискание ученой степени доктора технических
наук.
Воронеж, Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2016 г. — 414 с.
Специальность: 05.18.12 «Процессы и аппараты пищевых производств».
Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кретов Иван Тихонович. Цель исследования. В настоящей работе рассмотрены основные принципы и практическая реализация способов интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей за счет создания в примембранной зоне мембранного аппарата гидродинамических неустойчивостей. Исследовать процессы в микро- и ультра-фильтрации технологических жидкостей с использованием различных вариативных состояний гидродинамической картины в мембранном модуле различных типов. Разработать обобщающие положения по интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации, позволяющие на основании экспериментальных данных и результатов математического моделирования выработать единую концепцию по созданию высокоэффективных мембранных аппаратов с низким уровнем концентрационной поляризации, наиболее полно реализующих условия по созданию гидродинамических неустойчивостей обрабатываемых технологических жидкостей.
Научная новизна. Разработан концептуальный подход к интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств, направленный на снижение уровня концентрационной поляризации, за счет обоснованных технологических режимов при создании развитых гидродинамических неустойчивостей в примембранной зоне, что достигается математическим моделированием условий массопереноса через мембрану и оптимизацией перспективных конструкций мембранных аппаратов. Изучены кинетические, гидродинамические закономерности процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств (пива нефильтрованного непастеризованного, ферментного препарата инулиназы, технологической воды спиртового производства, сыворотки творожной); получены новые экспериментальные данные и диапазон изменения основных кинетических и гидродинамических характеристик технологических жидкостей при различных режимах организации мембранных процессов с использованием трековых, керамических и половолоконных мембран. Разработана математическая модель массопереноса через мембрану в канале прямоугольного сечения для определения технологических параметров обрабатываемых жидкостей в любой точке мембранного модуля и оценки уровня концентрационной поляризации по анализу профилей концентраций обрабатываемого раствора по длине поверхности мембраны. Разработана математическая модель микрофильтрации суспензии в трубчатом мембранном канале с возможностью оценки уровня концентрационной поляризации по совокупному анализу технологических параметров применяемых мембран, мембранного процесса и физических свойств обрабатываемой технологической жидкости. Получены закономерности, позволяющие рассчитать удельные энергозатраты и технологические параметры обрабатываемой жидкости в зависимости от гидродинамических условий в мембранном модуле и концентрации сухих веществ в исходном растворе; решена задача по поиску оптимальных режимов работы мембранной установки при минимальных энергозатратах на циркуляцию раствора при обеспечении наилучших показателей качества промежуточной продукции. Научная новизна предложенных технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения.
Теоретическая и практическая значимость работы. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, результаты математического моделирования, анализ работы установок микро- и ультрафильтрации при вариативных режимах гидродинамического воздействия на межфазную границу «мембрана-продукт», позволили разработать методологические подходы к созданию высокоэффективных способов переработки технологических жидкостей с использованием мембран (пат. РФ №№ 2206365, 2495122, 2528027) с соответствующим аппаратурным оформлением (пат. РФ №№ 2224582, 2174432, 2238794, 2252815, 2251446, 2206365, 2147459, 2148427, 2506990, 2331456, 2560417, 2280496). Определены и обоснованы рациональные технологические режимы процессов микро- ультрафильтрации технологических жидкостей при созданных гидродинамических неустойчивостях различной интенсивности с использованием трековых, керамических и половолоконных мембран при условии обеспечения показателей качества обрабатываемых сред. Рассмотрена целесообразность применения трековых и керамических мембран для микрофильтрации пива в условиях мини-пивоварен; предложены схемы компоновки мембранных модулей с керамическими мембранами, обеспечивающими стабильные показатели качества осветляемого продукта; разработана технологическая инструкция производства пива нефильтрованного непастеризованного с последующим использованием микрофильтрации в условиях мини-пивоварен. Оглавление:
Введение.
Современное состояние теории, техники и технологии обработки технологических жидкостей с применением мембран.
Комплексная оценка технологических жидкостей пищевых производств как объекта исследования.
Теоретические вопросы моделирования мембранных процессов обработки технологических жидкостей.
Краткий обзор техники и технологии обработки технологических жидкостей с применением мембран.
Мембранные процессы, применяемые при переработке технологических жидкостей.
Анализ литературного обзора, научная концепция, формулировка цели и основных задач исследований.
Объекты, методики и оборудование для проведения экспериментальных исследований.
Объекты экспериментальных исследований.
Экспериментальные установки для микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей.
Методика проведения экспериментальных исследований.
Средства измерения параметров и анализ погрешности измерения.
Исследование кинетических и гидродинамических параметров процесса микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей.
Анализ факторов, влияющих на уровень концентрационной поляризации в процессе мембранной обработки технологических жидкостей.
Исследование кинетики микрофильтрации пива при различных режимах организации процесса с использованием трековых мембран.
Исследование зависимости гидродинамических параметров микрофильтрации пива на уровень концентрационной поляризации.
Исследование кинетики микрофильтрации пива с использованием керамических мембран.
Экспериментально-статистические методы исследования процесса ультрафильтрации инулиназы.
Исследование кинетики ультрафильтрации воды Исследование кинетики и гидродинамики ультрафильтрации творожной сыворотки.
Математическое моделирование процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей.
Массоперенос в процессе микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей условиях концентрационной поляризации.
Разработка математической модели микрофильтрации суспензии в трубчатом мембранном канале.
Оценка применимости процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей на предмет разрешающей способности мембран.
Комплексная оценка показателей качества технологических жидкостей, обработанных микро- и ультрафильтрацией.
Оптимизация рецептуры хлеба повышенной пищевой ценности с использованием гидролизованного порошка топинамбура.
Повышение эффективности мембранных процессов обработки технологических жидкостей.
Обоснование концептуального подхода к интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей.
Рациональные технологические параметры микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей.
Мойка и регенерация мембран.
Разработка инженерных методов расчета процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей.
Практическое применение результатов исследования.
Разработка способов переработки технологических жидкостей с использованием мембран.
Разработка мембранного оборудования с пониженным уровнем концентрационной поляризации.
Применение процесса микрофильтрации пива в условиях ООО «Альмерия.
Практические рекомендации при переработке творожной сыворотки с помощью ультрафильтрации.
Основные выводы и результаты.
Литература.
Приложения.
Воронеж, Воронежский государственный университет инженерных технологий, 2016 г. — 414 с.
Специальность: 05.18.12 «Процессы и аппараты пищевых производств».
Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кретов Иван Тихонович. Цель исследования. В настоящей работе рассмотрены основные принципы и практическая реализация способов интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей за счет создания в примембранной зоне мембранного аппарата гидродинамических неустойчивостей. Исследовать процессы в микро- и ультра-фильтрации технологических жидкостей с использованием различных вариативных состояний гидродинамической картины в мембранном модуле различных типов. Разработать обобщающие положения по интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации, позволяющие на основании экспериментальных данных и результатов математического моделирования выработать единую концепцию по созданию высокоэффективных мембранных аппаратов с низким уровнем концентрационной поляризации, наиболее полно реализующих условия по созданию гидродинамических неустойчивостей обрабатываемых технологических жидкостей.
Научная новизна. Разработан концептуальный подход к интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств, направленный на снижение уровня концентрационной поляризации, за счет обоснованных технологических режимов при создании развитых гидродинамических неустойчивостей в примембранной зоне, что достигается математическим моделированием условий массопереноса через мембрану и оптимизацией перспективных конструкций мембранных аппаратов. Изучены кинетические, гидродинамические закономерности процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей пищевых производств (пива нефильтрованного непастеризованного, ферментного препарата инулиназы, технологической воды спиртового производства, сыворотки творожной); получены новые экспериментальные данные и диапазон изменения основных кинетических и гидродинамических характеристик технологических жидкостей при различных режимах организации мембранных процессов с использованием трековых, керамических и половолоконных мембран. Разработана математическая модель массопереноса через мембрану в канале прямоугольного сечения для определения технологических параметров обрабатываемых жидкостей в любой точке мембранного модуля и оценки уровня концентрационной поляризации по анализу профилей концентраций обрабатываемого раствора по длине поверхности мембраны. Разработана математическая модель микрофильтрации суспензии в трубчатом мембранном канале с возможностью оценки уровня концентрационной поляризации по совокупному анализу технологических параметров применяемых мембран, мембранного процесса и физических свойств обрабатываемой технологической жидкости. Получены закономерности, позволяющие рассчитать удельные энергозатраты и технологические параметры обрабатываемой жидкости в зависимости от гидродинамических условий в мембранном модуле и концентрации сухих веществ в исходном растворе; решена задача по поиску оптимальных режимов работы мембранной установки при минимальных энергозатратах на циркуляцию раствора при обеспечении наилучших показателей качества промежуточной продукции. Научная новизна предложенных технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения.
Теоретическая и практическая значимость работы. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, результаты математического моделирования, анализ работы установок микро- и ультрафильтрации при вариативных режимах гидродинамического воздействия на межфазную границу «мембрана-продукт», позволили разработать методологические подходы к созданию высокоэффективных способов переработки технологических жидкостей с использованием мембран (пат. РФ №№ 2206365, 2495122, 2528027) с соответствующим аппаратурным оформлением (пат. РФ №№ 2224582, 2174432, 2238794, 2252815, 2251446, 2206365, 2147459, 2148427, 2506990, 2331456, 2560417, 2280496). Определены и обоснованы рациональные технологические режимы процессов микро- ультрафильтрации технологических жидкостей при созданных гидродинамических неустойчивостях различной интенсивности с использованием трековых, керамических и половолоконных мембран при условии обеспечения показателей качества обрабатываемых сред. Рассмотрена целесообразность применения трековых и керамических мембран для микрофильтрации пива в условиях мини-пивоварен; предложены схемы компоновки мембранных модулей с керамическими мембранами, обеспечивающими стабильные показатели качества осветляемого продукта; разработана технологическая инструкция производства пива нефильтрованного непастеризованного с последующим использованием микрофильтрации в условиях мини-пивоварен. Оглавление:
Введение.
Современное состояние теории, техники и технологии обработки технологических жидкостей с применением мембран.
Комплексная оценка технологических жидкостей пищевых производств как объекта исследования.
Теоретические вопросы моделирования мембранных процессов обработки технологических жидкостей.
Краткий обзор техники и технологии обработки технологических жидкостей с применением мембран.
Мембранные процессы, применяемые при переработке технологических жидкостей.
Анализ литературного обзора, научная концепция, формулировка цели и основных задач исследований.
Объекты, методики и оборудование для проведения экспериментальных исследований.
Объекты экспериментальных исследований.
Экспериментальные установки для микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей.
Методика проведения экспериментальных исследований.
Средства измерения параметров и анализ погрешности измерения.
Исследование кинетических и гидродинамических параметров процесса микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей.
Анализ факторов, влияющих на уровень концентрационной поляризации в процессе мембранной обработки технологических жидкостей.
Исследование кинетики микрофильтрации пива при различных режимах организации процесса с использованием трековых мембран.
Исследование зависимости гидродинамических параметров микрофильтрации пива на уровень концентрационной поляризации.
Исследование кинетики микрофильтрации пива с использованием керамических мембран.
Экспериментально-статистические методы исследования процесса ультрафильтрации инулиназы.
Исследование кинетики ультрафильтрации воды Исследование кинетики и гидродинамики ультрафильтрации творожной сыворотки.
Математическое моделирование процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей.
Массоперенос в процессе микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей условиях концентрационной поляризации.
Разработка математической модели микрофильтрации суспензии в трубчатом мембранном канале.
Оценка применимости процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей на предмет разрешающей способности мембран.
Комплексная оценка показателей качества технологических жидкостей, обработанных микро- и ультрафильтрацией.
Оптимизация рецептуры хлеба повышенной пищевой ценности с использованием гидролизованного порошка топинамбура.
Повышение эффективности мембранных процессов обработки технологических жидкостей.
Обоснование концептуального подхода к интенсификации процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей.
Рациональные технологические параметры микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей.
Мойка и регенерация мембран.
Разработка инженерных методов расчета процессов микро- и ультрафильтрации технологических жидкостей.
Практическое применение результатов исследования.
Разработка способов переработки технологических жидкостей с использованием мембран.
Разработка мембранного оборудования с пониженным уровнем концентрационной поляризации.
Применение процесса микрофильтрации пива в условиях ООО «Альмерия.
Практические рекомендации при переработке творожной сыворотки с помощью ультрафильтрации.
Основные выводы и результаты.
Литература.
Приложения.