ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7127| Title: | Обґрунтування раціональних параметрів процесу виробництва розчинної кави та розробка екстрактора |
| Authors: | Хандюк , Микола Васильович Гаркун, Валентин Володимирович |
| Keywords: | мікрохвильовий екстрактор;процес екстрадування;розчинна кава;тарувальні графіки |
| Issue Date: | 17-Dec-2024 |
| Abstract: | Мета магістерської кваліфікаційної роботи полягає у вдосконаленні процесу виробництва розчинної кави та розробки екстрактора. Методи досліджень. Дослідження виконані методами математичного моделювання. Об’єкт роботи. Процес виробництва розчинної кави. Предмет роботи. Вирішення науково-практичних завдань спрямованих на обґрунтуванні технологічного процесу виробництва розчинної кави. Наукова новизна одержаних результатів полягає в науковому обґрунтуванні покращення якості розчинної кави. Практичне значення одержаних результатів полягає у рекомендації до впровадження розробленого екстрактора в лінію виробництва розчинної кави. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7127 |
| Appears in Collections: | 133 Галузеве машинобудування (Обладнання переробних і харчових виробництв) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| КРМ Гаркун.pdf Restricted Access | Магістерська випускна робота (МКР) складається з реферату, переліку умовних позначень, вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. МКР містить 111 сторінок, включає 115 формул, 45 рисунків, 10 таблиць, 10 літературних джерел та 2 додатки. | 3.56 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
(повне найменування в ищого навчального закладу)
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(повна назва факультету)
Кафедра проектування харчових виробництв та верстатів нового покоління
(повна назва кафедри)
МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
Другий (магістерський)
(освітньо-кваліфікаційний рівень)
на тему: «Обґрунтування раціональних параметрів процесу виробництва
розчинної кави та розробка екстрактора»
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
Виконав: студент 2 курсу, групи мПВ-33
спеціальності 133 – Галузеве машинобудування
(шифр і назва спеціальності)
Обладнання переробних і харчових виробництв
(спеціалізація)
Валентин ГАРКУН
(ім’я та прізвище)
Керівник Микола ХАНДЮК
(ім’я та прізвище)
Рецензент Олексій ЛІВИЙ
(ім’я та прізвище)
Черкаси 2024
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(повна назва факультету)
Кафедра проектування харчових виробництв та верстатів нового покоління
(повна назва кафедри)
Освітньо-кваліфікаційний рівень магістр
Спеціальність 133 «Галузеве машинобудування»
Спеціалізація «Обладнання переробних і харчових виробництв»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)
ЗАТВЕРДЖУЮ:
завідувач кафедри
Василь ОСИПЕНКО
(підпис) (ім’я та прізвище)
« » 2024 року
ЗАВДАННЯ
на магістерську кваліфікаційну роботу студенту
Валентину ГАРКУНУ
(ім’я та прізвище)
1 Тема магістерської роботи: «Обґрунтування раціональних параметрів
процесу виробництва розчинної кави та розробка екстрактора»
Керівник магістерської роботи: Микола ХАНДЮК
(ім’я та прізвище, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджені наказом Черкаського державного технологічного університету від
“___”____________2024 року №_____
2 Строк подання студентом магістерської роботи 29.11.2024 р.
3.Вихідні дані до магістерської роботи: технологічні інструкції; робочі
інструкції; патенти; конструкторська документація, наукова та довідкова література
4 Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань для розробки):
Реферат; Перелік умовних позначень та скорочень, Вступ; Сучасний стан
виробництва розчинної кави та шляхи інтенсифікації процесу екстрагування;
Методи моделювання процесів масопереносу в системі сировина-екстрагент;
Ррезультати експериментів і їх узагальнення; Інженерні методики розрахунку;
Загальні висновки, список використаних джерел, додатки.
5 Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)
Вступ;
Схема лінії виробництва розчинної кави;
Схеми екструдуювання;
Схема ведення процесу та очікувані режими екструдуювання в МХ-полі;
Тарувальні графіки;
Оцінка результатів дослідження;
Схема дослідного стенду;
Математичне моделювання;
Схема експериментально-промислового екстрактора;
Шляхи підвищення концентрації кавового екстракту;
Висновок.
РЕФЕРАТ
Здобувача вищої освіти Валентина ГАРКУНА
Магістерська випускна робота (МКР) складається з реферату, переліку
умовних позначень, вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних
джерел і додатків. МКР містить 111 сторінок, включає 115 формул, 45 рисунків, 10
таблиць, 10 літературних джерел та 2 додатки.
Мета магістерської кваліфікаційної роботи полягає у вдосконаленні процесу
виробництва розчинної кави та розробки екстрактора.
Методи досліджень. Дослідження виконані методами математичного
моделювання.
Об’єкт роботи. Процес виробництва розчинної кави.
Предмет роботи. Вирішення науково-практичних завдань спрямованих на
обґрунтуванні технологічного процесу виробництва розчинної кави.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в науковому обґрунтуванні
покращення якості розчинної кави.
Практичне значення одержаних результатів полягає у рекомендації до
впровадження розробленого екстрактора в лінію виробництва розчинної кави.
КЛЮЧОВІ СЛОВА: РОЗЧИННА КАВА, МІКРОХВИЛЬОВИЙ
ЕКСТРАКТОР, ПРОЦЕС ЕКСТРАДУВАННЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ,
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА УСТАНОВКО, ТАРУВАЛЬНІ ГРАФІКИ, ЯКІСТЬ
ПРОДУКТУ.
ABSTRACT
The master's thesis consists of an abstract, a list of notations, an introduction, four
sections, conclusions, a list of used sources and appendices. The MKR contains 111 pages,
includes 115 formulas, 45 figures, 10 tables, 10 literary sources and 2 appendices.
Goal The master's thesis consists in improving the instant coffee production process
and developing an extractor.
Research methods.The research was carried out using mathematical modeling
methods.
Object of work.Instant coffee production process.
Subject of work.Solving scientific and practical tasks aimed at substantiating the
technological process of instant coffee production.
Scientific noveltyof the obtained results is in the scientific substantiation of the
improvement of the quality of instant coffee.
Practical meaningof the obtained results is a recommendation for the introduction
of the developed extractor into the production line of instant coffee.
KEYWORDS: INSTANT COFFEE, MICROWAVE EXTRACTOR,
EXTRACTION PROCESS, RESEARCH, EXPERIMENTAL SETUP, TARE
SCHEDULES, PRODUCT QUALITY.
ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ………………………………….7
ВСТУП………………………………………………………………………….…….……8
РОЗДІЛ 1 СУЧАСНИЙ СТАН ВИРОБНИЦТВА РОЗЧИННОЇ КАВИ
ТА ШЛЯХИ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ ПРОЦЕСУ ЕКСТРАГУВАННЯ..............................11
1.1 Загальні відомості……………………………………………………...……...11
1.2 Значення екстрагування в технології виробництва розчинної кави……….12
1.3 Властивості сировини для виробництва розчинної кави…………………...15
1.4 Екстрагування водорозчинних речовин з кави……………………………...16
1.5 Механізм вилучення водорозчинних речовин із сировини
рослинного походження і методи інтенсифікації процесу екстрагування…………..20
1.6 Методи моделювання процесу екстрагування із зерна кави……………….25
1.7 Використання мікрохвильових технологій в харчовій промисловості…....32
1.8 Мікрохвильове екстрагування. Пропоновані принципові
схеми екстрагування і екстракторів на основі мікрохвильових технологій…………35
Висновки до розділу 1…………………………………………………………….47
РОЗДІЛ 2 МЕТОДИ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ МАСОПЕРЕНОСУ
В СИСТЕМІ СИРОВИНА-ЕКСТРАГЕНТ ЗА УМОВ ПІДВЕДЕННЯ
МІКРОХВИЛЬОВОЇ ЕНЕРГІЇ.........................................................................................49
2.1 Методи аналітичного моделювання………………………………………....49
2.2 Методи експериментального моделювання………………………………....61
Висновки до розділу 2…………………………………………………………….73
РОЗДІЛ 3 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ, РЕЗУЛЬТАТИ
ЕКСПЕРИМЕНТІВ І ЇХ УЗАГАЛЬНЕННЯ…………………………………………...74
3.1 Завдання й загальне характеристика експериментів……………………….74
3.2 Оцінка вірогідності отриманих результатів дослідів………………………74
3.3 Дослідження гідравліки в модулі екстрактора при використанні
меленої кави різної дисперсності………………………………………….……………78
Висновки до розділу 3…………………………………………………………….84
РОЗДІЛ 4. ІНЖЕНЕРНІ МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ ТА
ОПТИМІЗАЦІЯ МІКРОХВИЛЬОВОГО ПРОТИТЕЧІЙНОГО ЕКСТРАКТОРА…..86
4.1 Загальна структура розрахунку мікрохвильового
протитечійного екстрактора…………………………………………………………….86
4.2 Інженерна методика розрахунку мікрохвильового екстрактора..................94
4.3 Комп’ютерне моделювання…………………………………………………..96
4.4 Опис експериментально-промислового зразка мікрохвильового
екстрактора…………………………………………………………………………….....99
4.5 Дослідження характеристик спільної роботи системи
МХ-випромінювачів екстрактора методом калориметрії……………………………102
4.6 Випробовування мікрохвильового екстрактора в умовах виробництва....104
Висновки до розділу 4………………………………………………………..….109
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ……………………………………………………………….110
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………………………………....111
ДОДАТКИ………………………………………………………………………………112
Додаток А. Екстрагування за умов розрідження………………………………112
Додаток Б. Шляхи підвищення концентрації кавового екстракту…………...114
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ
ЧДТУ – Черкаський державний технологічний університет
СП – Спільне підприємство
ТОВ – Товариство з обмеженою відповідальністю
ДСТУ – Державний стандарт України
НУХТ – Національний університет харчових технологій
ПЗ – Пояснювальна записка
АПК – Агропромисловий комплекс
ПрАТ – Приватне акціонерне товариство
МХ – Мікрохвильовий
ТМ – Торгова марка
ПАТ – Публічне акціонерне товариство
МКР – Магістерська кваліфікаційна робота
ANSI – Американський національний інститут стандартів
НВЧ – Надвисокі частоти
ОНАХТ– Одеська національна академія харчових технологій
МПХВ – Мікрохвильовий протитечійний екструдер
ПТФЕ – Політетрафторетилен
ЕРС – Електрорушійна сила
с.р. – Сухі речовини
ВСТУП
Одними з найулюбленішими напоями людства з давніх давен є кава і чай.
Найбільш популярна кава в країнах близького сходу та країнах Європи. Також кава
успішно завойовує ринок і в Україні. З початку двадцятого сторіччя наряду з
меленою, кава розчинна свого споживача знаходить завдяки легкому приготуванню,
тонізуючим властивостям та тривалому зберіганні. Попит на каву щорічно зростає
[1]. Це пов’язано, як зі збільшенням у світі кількості населення, так і з
популяризацією культури споживання кави. Без сумніву цей напій можна називати
«модним» напоєм.
За підсумками 2015 р. темпи приросту обсягу споживання становлять більше
чим 28 %, сягнувши рекордного показника в 49,62 тисяч тон кави та її замінників. За
прогнозами Міжнародної організації кави, попит до 2020 року буде зростати на
близько ніж 2,5 % за рік. За 2014 рік по даним організації Euromonitor кожен
українець споживає у середньому 0,82 чашки кави в день. Україна серед країн світу
посідає 47 позицію по рівню споживання меленої та розчинної кави. Також варто
відмітити, що український ринок кави за десять років стабільно продемонстрував на
кавові продукти зростання попиту, зокрема і на розчинну каву. В Україні попит на
каву, в тому числі і розчинну продовжує зростати.
В Україні лідерами продаж розчинної кави залишаються іноземні виробники.
Це пояснюється тим, що за рівнем передових технологій виробники
агропромислового комплексу (АПК) України значно поступаються зарубіжним
конкурентам. Українські виробники неспроможні забезпечувати належну якість
товару по цінах, що нижчі або рівні аналогічним імпортним продуктам. Це може
спричинити закриття нерентабельних підприємств по виробництву розчинної кави, а
згодом і монополізацію українського ринку закордонними корпораціями та
регулювання ними цін на продукт [1].
В Україні на даний момент розчинну каву виробляють чотири українські
компанії: СП ПрАТ «ГАЛКА ЛТД» (м. Львів), УкрКава «Lacomba» (м.
Чорноморськ), ПрАТ «Enni Food» («Одеська кава») та ТМ «Золоте зерно»
Дніпропетровський комбінат харчових концентратів (м. Дніпро). На цих
підприємствах кава виготовляється по класичним технологіям виробництва кави
розчинної порошкової. Екстрагування здійснюється у багатоступінчастих апаратах
методом баротермічного водного екстрагування з кавових зерен. У екстракційних
апаратах температура становить приблизно 180 °С. При цьому відбуваються процес
гідролізу та продукт може набувати неприємного присмаку, і крім того при впливі
високої температури відбувається руйнування біологічно-активних компонентів, які
визначають тонізуючу якість кави [3]. Використовуючи такий метод екстрагування
від 15 % до 20 % екстрактивних речовин, що можна вилучити, залишаться в
кавовому шламі. Це робить шлам непридатним для згодовування птиці та іншим
тваринам. Значна кількість органічних відходів та їх накопичення становить велику
біологічну небезпеку, тому підприємства повинні витрачати значні кошти на їх
утилізацію [3, 4].
Щоб вирішити низку проблем технологічного, економічного та екологічного
характеру необхідно досконаліше вивчати процеси екстрагування з сировини
рослинного походження, в тому числі і з кавового зерна. Необхідно розвивати
науковий підхід для створення апаратів для екстрагування за новітніми
технологіями.
Так як кава не вирощується в Україні та імпортується, необхідно
використовувати цей продукт максимально ефективно. Тобто необхідні технології,
що дозволяють отримувати більше компонентів з однакової кількості сировини.
Виробництво розчинної кави характеризується значною енергоємністю обладнання і
тривалістю технологічного процесу (від 7 год. до 8 год.), втратою цінних летких
ароматичних і смакових речовин, що впливають на якість кінцевого продукту.
Стадії подрібнення, екстрагування, зберігання та сушіння при виробництві, низький
вихід готового компонента (від 20 % до 33 % від маси сировини). Це обумовлює
високу собівартість і відповідну ціну на розчинну каву через неефективне
виробництво. Тому актуальною є проблема пошуку і створення інноваційних
технологій при виробництві розчинної кави.
Успішні дослідження вчених в галузі використання для виробництва
продуктів мікрохвильового поля (МХП), апарати для промислового використання
ще не створені. Режими роботи мікрохвильових (МХ) апаратів до кінця не
відпрацьовані. Також недостатньо вивчені процеси, що відбуваються в екстракторах
мікрохвильового поля безперервної дії, відсутній для таких процесів математичний
опис при екстрагуванні кави.
Практичне значення результатів, які отримані полягає в тому, що
досліджуваний спосіб одержання кавового екстракту під впливом мікрохвильового
поля при русі проти течії екстрагенту і твердої фази буде істотно інтенсифікувати
внутрішні процеси масообміну, що дозволяє значно скоротити втрати ароматичних і
смакових речовин в екстракті, поліпшити якість продукту, знизити втрати
компонентів у відходах, знизити витрату енергії, процес екстрагування вести при
атмосферному тиску та температурах до 100 °С. Дослідно-промислова установка
МХ апарату безперервної дії буде забезпечувати інтенсифікацію процесу та
дозволяє вихід готової продукції збільшити завдяки додатковому вилученню
речовин, що розчиняються в воді, з капілярно-пористої структури кавового зерна.
Екстракти, отримані на виході, будуть характеризуватися підвищеною кількістю
сухих речовин (від 50 % до 60 %) та використовуватися, як продукт аналогічний
розчинній каві, та дозволить енерговитратний етап сушіння екстракту виключити з
процесу.
Комп’ютерні програми для розрахунку апарату безперервної дії з
використанням мікрохвильового поля, заснована на результаті експериментального
моделювання взаємодії кінетики води і подрібненого кавового зерна, та може бути
використана для проектування подібних систем в широкому діапазоні параметрів,
що змінюються. Програми «EXTRACTOR 1» та «EXTRACTOR 2» впроваджено на
ПрАТ «Енні Фудз», м. Одеса та СП ПрАТ «ГАЛКА ЛТД» (м. Львів).
РОЗДІЛ 1
СУЧАСНИЙ СТАН ВИРОБНИЦТВА РОЗЧИННОЇ КАВИ ТА ШЛЯХИ
ІНТЕНСИФІКАЦІЇ ПРОЦЕСУ ЕКСТРАГУВАННЯ
1.1 Загальні відомості
Розчинна кава набула популярності завдяки своїм тонізуючим і смаковим
властивостям та легкому способу приготування. Завдяки комплексу біологічно-
активних речовин, кава має тонізуючий ефект, особливо для серцево-судинної,
нервової, травної систем. У ряді наукових робіт досліджено антисептичний вплив на
організм розчинної кави [3].
Недоліком розчинної кави є недостатня кількість ароматичних компонентів,
що втрачаються при екстрагуванні та сушінні. Цей недолік усувається штучною
ароматизацією розчинної кави, введенням штучних домішок в продукт. Це
зумовлює недовіру до розчинної кави у споживачів.
В Україні лідерами на ринку кави, в тому числі і розчинної, є переважно,
закордонні компанії. В першому півріччі 2016 найбільшим експортером розчинної
кави є компанія Якобз Україна, яка випускає каву розчинну під торговою маркою
Jacobs. Доля її в закордонному постачанні складає 75 %. На другому місці
знаходиться зарубіжна торгівельна фірма Мономах, що випускає каву під
однойменною ТМ. Згідно з маркетинговими дослідженнями «Ринок кави в Україні»,
що проведено компанією Alliance Capital Management, трійку лідерів закриває
компанія Ліберті, яка продає каву під торгівельними марками Caffe Poli и Nero
Агота. Лідерство на ринку розчинної кави серед вітчизняних виробників займає
компанія СП ПрАТ «ГАЛКА ЛТД» (м. Львів).
Вітчизняні підприємства виробляють розчинну каву переважно за
традиційними баротермічними технологіями. Екстракт в подальшому для отримання
продукту в вигляді порошку висушують на розпилювальних сушарках. Виробництво
за такою технологією розчинної кави дає змогу вилучати близько 20 % сухих
речовин з кавової сировини [3, 4]. Працюють баротермічні екстрактори при
температурах близьких до 180 °С. Щоб у рідкому стані утримувати воду в апаратах
потрібно підтримувати високий тиск. Процес екстрагування триває від 7 годин до 8
годин. Це зумовлює при виробництві екстракту низку проблем. По перше, по
конструкції екстрактори складні, металомісткі, та потребують додаткового
компресорного обладнання. По-друге, екстрактори мають велику енергоємність так
як працюють при високих температурах та мають додаткове обладнання. По-третє,
на якість готового продукту негативно позначається тривалий вплив високої
температури. Руйнуються органічні компоненти, і особливо ароматичні, внаслідок
цього продукт має невиразний аромат та смак, гіркоту, втрачає свої корисні
властивості [3, 4].
1.2 Значення екстрагування в технології виробництва розчинної кави
Екстрагування є одним з ключових процесів у виробництві розчинної кави, що
впливає на показники якості продукту. Ефективність вилучення складових
компонентів з сировини буде впливати на вартість продукту та визначати
економічну доцільність виробництва.
Традиційно розчинну каву отримують на безперервних проточних лініях,
технологічна схема якої зображена на рис. 1.1. Головним елементом технологічної
схема є екстракційна установка. Зазвичай до складу таких установок входять
декілька екстракторів, що поєднані в один агрегат – екстракційну батарею. Кожен з
екстракторів обладнано трубчастими фільтрами, що мають отвори діаметром
приблизно від 1,0 мм до 1,5 мм, проміжних теплообмінників зі змійовиками, через
котрі проходить екстракт. Ззовні екстракт підігрівається парою, яка надходить з
водонагрівачів, та яка поступає потім до екстракційної батареї. Під час
екстрагування, який становить приблизно від 7 годин до 8 годин, через екстрактори
проходить біля 4 тон води. Вода перед подачею в екстрактор проходить попередньо
обробку харчовою сіллю. Після обробки жорсткість води має бути не більшою ніж
0,35 мг/л. Прийнятним співвідношенням екстрагент – вода у екстракторі є 1:20 –
1:25, що становить близько 160 кг подрібненої кави [3].
На екстракційних батареях отримують екстракт з вмістом сухих речовин
приблизно 28 % [5, 6]. Після технологічних перетворень, які проходить сировина в
процесі виробництва розчинної кави, відбуваються значні витрати продукту. Також
втрачаються леткі ароматичні та смакові речовини, загальна втрата може досягати
до 80 % від початкового вмісту в обсмажених зернах. Також втрачається і якість
кінцевого продукту [3, 5].
1, 3 і 11 – пневмотранспортери; 2 –сепаратор вібраційний; 4 – циклон для
розвантаження; 5 – бункер секційний для зберігання різних сортів і видів кави;
6 – ваги; 7 –барабан обжарювання; 8 – охолоджувальна чаша; 9 –відбірник
каміння; 10; 35 – ваги; 12 – циклон для осаджування; 13 – бункер для накопичення
смаженої кави; 14 – гранулятор; 15 – елеватор ковшовий; 16 – бункер;
17 – транспортер вібраційний; 18 – ваги пересувні; 19 – екстрактори батареї
екстракційної; 20 – установка обробки кави водою гарячою; 21 – фільтр
пластинчастий; 22 – охолоджувач; 23 – бак змішувальний; 24, 26 – насоси;
25 – ваги збірні; 27 – танк для накопичення; 28 – фільтр; 29 – насос живильний
високого тиску; 30 – ресивер; 31 – вежа сушильна; 32 – вібросито; 33 – охолоджувач
вібраційний; 34 – контейнер; 36 – бункер завантажувальний; 37 – машина
фасувальна; 38 – машина укупорочна для жерстяних банок
Рисунок 1.1 Машинно-апаратурна схема технологічної лінії виробництва
кави розчинної
Виділяють два основні підходи до вирішення цієї проблеми. Перший
передбачає штучну ароматизацію розчинної кави натуральними, або синтетичними
речовинами, які мають відновити аромат та смак кави. Другий передбачає розробку
досконалішого обладнання чи альтернативних технологічних схем виробництва
екстракту кави.
1 – корпус; 2 – днище хибне (решітка); 3 – днище відкидне;
4 – патрубок подачі свіжого екстрагента;
5 – патрубок відведення розчину концентрованого; 5 – насос
Рисунок 1.2 Схема екстрактора та екстракційної установки
Якість екстракту в значній мірі також залежить від виду екстрагентів, що
використовуються. Для екстрагування кави в переважній більшості використовують
воду. У першу чергу, це пов’язано з безпечністю води (розчинника) для організму
людини. По друге – відпадає потреба в додатковому обладнанні та використанні
особливих матеріалів для виготовлення обладнання чи додаткової подальшої
обробки продукту [6].
Для отримання екстрактів кави також застосовуються інші типи екстрагентів
або домішки, що інтенсифікують процес екстрагування [6, 8, 10]. При обробці
сировини харчової внесення додаткових речовин зв’язано з потенційними ризиками,
так як в харчових продуктах міститься багато складних органічних складових, які
при взаємодії з різноманітними домішками можуть утворювати токсичні сполуки.
Також вони можуть значно погіршувати якість готового продукту [5].
Більш безпечнішими методами інтенсифікації процесу екстракції є фізичні або
електрофізичні, які не потребують внесення додаткових компонентів і недостатні
для створення вільних радикалів в харчовій сировині [3].
1.3 Властивості та склад сировини для виробництва кави розчинної
Сирі кавові зерна [6] мають різноманітний хімічний склад. Він нараховує біля
двох тисяч речовин: білки; вуглеводи; мінеральні компоненти. При обсмажуванні
проходять складні хімічні реакції. Що приводять до зміни хімічного складу.
Відбувається процес руйнування сахарози і ферментація, зміна кольору кавового
зерна. Розкривається аромат кави та збільшується кількість в каві екстрактивних
речовин. Після обсмажування розчинна кава містить близько 800 ароматичних
речовин. У таблиці 1.1. показано порівняння усередненого складу сирого та
обсмаженого кавового зерна [5].
Частка вуглеводів у розчинній каві складає від 50 % до 60 % від загальної
маси сирих зернин. До складу вуглеводів розчинної кави входить: сахароза (від 6 %
до 10 %); целюлоза (від 5 % до 12 %); пектинові речовини (від 2 % до 3 %) та
високомолекулярні полісахариди (лігнін, клітковина та ін.). До основного
водорозчинного компоненту високомолекулярних полісахаридів кави сирої
відносять арабіногалактан (від 2% до 5 %). Крім того, з зернин кави виділені
галактоза, глюкогалактоманнан, арабіноза і маноза. Тривалий час вважали, що сирі
зерна кави не мають вільних моноцукрів (фруктоза і глюкоза), проте науковими
дослідженнями встановлено, що у зернах кави Арабіка більше сахарози, а кави
Канефора (Робуста) більше редукуючих цукрів. Загальна їх кількість у зернах кави
досягає від 0,7% до 1 % [15].
При обсмажуванні кави відбувається глибока зміна у складі вуглеводного
комплексу. Наприклад, сахароза, яка є основним компонентом, практично майже
повністю зникає (залишається 0,56 %). На початку обсмажування різко падає також
вміст моносахаридів, проте по завершенні процесу вміст їх істотно зростає
(приблизно до 1,25 % глюкози, до 1,1 % фруктози, до 0,15 % Арабіноза та до 0,1 %
галактози). Коливання кількості моноцукрів в складі кави при тепловій обробці
(обсмажуванні) пояснюються втратою деякої частини цих речовин (моноцукрів) на
процеси карамелізації та меланоїдиноутворення (на початковій і середній стадії
обсмажування). Потім, при досягненні температури від 205 °C до 220 °C, та
збільшенні їх концентрації в процесі гідролізу полісахаридів: пентозанів, клітковини
та інших. Після обсмажування, вміст сахарози буде знижуватися, відбуватимуться
процеси розпаду сахарози, її карамелізації та підвищення вмісту азотистих речовин.
Після обсмажування в зернах будуть міститися органічні кислоти, фенольні
сполуки, піридин, вітаміни РР і ін. Відповідно з даними деяких досліджень, свіжі
зерна кави у порівнянні з обсмаженими мають високу антиоксидантну активність.
Таблиця 1.1 – Порівняння хімічного складу сирого і обсмаженого зерна
Речовини В сирих кавових зернах, В обсмажених зернах
г/100 г продукту) кави, г/100 г продукту)
Кофеїн 0,71 – 2,49 0,62 – 2,25
Кислота хлорогенова 5,51 – 10,89 2,12 – 4,10
Речовини дубильні 3,66 – 7,67 0,45 – 1,10
Сахароза 6,10 – 10,10 0,55
Цукри редукуючі 0,72 – 1,10 2,22
Речовини мінеральні 3,61 – 4,51 5,10 – 7,10
Ліпіди 9,42 – 18,10 9,41 – 18,10
Речовини білкові 9,10 – 10,12 7,64 – 9,74
Кислоти органічні:
- кислота яблучна 0,31 0,18
- кислота щавлева 0,05 0,04
- кислота винна 0,41 0,29
- кислота лимонна 0,31 0,12
Речовини екстрактивні 20,10 – 291,0 21,10 – 25,10
1.4 Екстрагування водорозчинної речовини з кави
Існує багато способів екстрагування, які використовуються у промисловому
виробництві кавового екстракту, але більшість робіт посвячено саме
баротермічному способу екстрагування та удосконаленню існуючого обладнання [4,
5, 16].
Процес баротермічного екстрагування поділяється на три стадії: замочування,
вилучення сухих речовин, гідроліз [5].
На першій стадії подрібнені часточки кави абсорбують вибірково вологу у
кількості, що вдвічі перевищує їх масу в сухому стані. Об’єм вологи, що
абсорбується зворотно пропорційна до розміру часточок кави.
На другій стадії відбувається вилучення речовин, що розчиняються в воді, при
температурі від 95 °С до 100 °С. З приграничного шару навколо подрібнених
часточок в екстракт активно дифундують (переходять) водорозчинні речовини. Щоб
інтенсифікувати процес в апаратах потрібно організувати режим протитечії, щоб
збільшити різниці концентрації речовин в екстракті навкруги часток та
абсорбованою водою. Вихід екстрактивних речовин на етапі вилучення становить
від 27 % до 30 %.
На останній третій стадії (гідроліз), процес протікає при температурі
приблизно від 170 °С до 180 °С. Завдяки процесу гідролізу геміцелюлози клітковини
та високомолекулярних вуглеводів, які не розчиняються в воді, вихід екстрактивних
водорозчинних речовин може досягати максимального рівня від 40 % до 45 % [5].
Іноді, цю операцію використовують для підвищення виходу готової продукції та
економічної вигоди. Така практика неприйнятна для виготовлення високоякісної
кави, оскільки у цьому випадку вона набуває гідролізного присмаку та гіркоти,
аромат продукту змінюється та з’являється запах невластивий йому.
Аналіз ряду наукових робіт [4, 7, 9] доводить ефективний взаємозв’язок між
дифузійними процесами екстрагування з такими чинниками: площею поверхні
контактуючих фаз (розміром частинок), швидкістю руху екстрагенту, температурою
та тиском при якому протікає процес, гідромодулю, рН середовищем, тощо.
Коефіцієнти дифузії різноманітних кислот та солей вище, чим ці значення
вуглеводів, ліпідів і білків, тому ці низькомолекулярні сполуки будуть дифундувати
швидше, ніж з’єднання з молекулярним розгалуженим ланцюгом.
Тому у екстракт переходять хлорогенова кислота, алкалоїди та вільні цукри
(з’єднання низькомолекулярні). Потім у екстракт будуть переходити фрагменти
різних продуктів гідролізу (карамелізовані полісахариди, полімеризовані прості
цукри та денатуровані білкові речовини). Ці речовини, що переходять у екстракт,
мають більшу молекулярну масу та внаслідок гідролізу при впливі високого тиску і
температури перетворюються в розчинну форму.
Під час екстрагування подрібненого зерна кави ароматичні речовини
переходять до екстракту одразу, у той час, як смакові компоненти переходять
набагато повільніше [5].
На другому і третьому етапах [3], коли екстрагування протікає при
підвищених температурах, відзначено, що при незначному збільшенні температури
(від 8 °С до 12 °С) перенесення речовин в екстракт значно інтенсифікується. Згідно з
правилом Вант-Гоффа, збільшення температури на 10 °С прискорює швидкість
реакції ввід 2 раз до 4 раз.
Для поліпшення подальших умов екстрагування проводять попередню
обробку обсмажених зернин кави. Попередню обробку обсмажених зернин кави
іноді проводять з метою створення сприятливих умов для подальшого
екстрагування.
Безпосередньо сировину перед екстрагуванням зволожують. Це сприяє
розкриванню клітинної структури зерен кави [5]. Метою процесу екстрагування є
перехід речовин, що розчиняються в воді, з обсмаженої подрібненої кави в водний
розчин. Хімічний склад нелетких водорозчинних речовин, які містяться у екстракті,
приведено в таблиці 1.2.
За діючими технологіями виробництва розчинної кави процесу екстрагування
окрім обсмажування, передує процес гранулювання, тобто – подрібнення кавових
зернин. Порушення структури кавового зерна, та його подрібнення відкриває шлях
екстрагенту до внутрішньої частини зерна – мезокарпію, де міститься багато
компонентів. Збільшуючи питому поверхню сировини можемо інтенсифікувати
процеси дифузії і підвищити ефективність процесу та зменшити втрати цінних
компонентів з відходами.
Подрібнення до порошкоподібного стану сировини зумовлює низку проблем:
погіршення змочуваності часток екстрагентом, утворення застійних зон, збільшення
часу на осадження, проблеми розділення шламу та екстракту. Спосіб екстрагування
впливає на гранулометричний склад, що визначається, типом та конструктивними
особливостями екстракційного обладнання.
Промислові підприємства України для виробництва кави розчинної
застосовують спосіб батарейної баротермічної дифузії. Для цього використовують
екстрактори датського виробництва «Ніро Атомайзер», якими оснащені майже всі
підприємства [1]. В конструкції екстракційної батареї раціональним вважається
гранулометричний склад розчинної кави з розміром часточок від 1 мм до 2 мм.
Зменшення розміру часточок призведе до різкого підвищення гідравлічного опору
екстракційної батареї. Для отримання кінцевого продукту з більш багатим ароматом
та смаком потрібно вести екстрагування кави з розміром часточок меншого розміру.
При заварюванні кави в однакових умовах, кращий аромат та смак має напій, який
приготували з кавового порошку більш тонкого помелу (до 500 мкм).
Таблиця 1.2 – Хімічний склад речовин екстракту кави
Вміст компонента до маси екстракту
(абсолютно сухого), % за даними:
№ п/п Основні нелеткі компоненти
Е. Пазоли,
К. Облавацької
О. Сверчинскького
1 Кофеїн 3,5 4,8
2 Таніди (кислота хлорогенова) 20 – 30 16,0
3 Солі мінеральні 15 – 20 12,0
4 Білки 15 – 20 –
5 Вуглеводи 30 – 40 –
6 Масла ефірні 0,001 – 1 –
7 Вода 1,3 2,0
8 Цукор – 12,0
9 Вітаміни залишки залишки
10 Тригонелин – 4,9
Одним з основних параметрів екстрагування є співвідношення фаз (q): тверде
тіло-рідина. Це співвідношення визначає ефективність процесу. Зазвичай, в
промислових умовах, співвідношення фаз q становить від 1:20 до 1:25. Збільшення
співвідношення фаз до 1:30 та більше приводить до збільшення виходу в розчин
водорозчинних речовин. Але при використанні співвідношення фаз q > 1:30 є
можливим, тому що виникають складнощі, які пов’язані з подальшою обробкою
отриманого екстракту. При зниженні концентрації водорозчинних речовин потрібні
додаткові витрати щоб згустити екстракт [5]. Зазначені співвідношення фаз можуть
застосовуватися в процесах високотемпературного екстрагування, екстрагування
при понижених температурах співвідношення фаз вимагає уточнення.
Відомо також, що температура фактор, який значно інтенсифікує процеси
вилучення речовин, що розчиняються в воді, так як їх збільшення приводить до
зростання самої швидкості екстрагування. Цей процес відбувається в результаті:
- збільшення коефіцієнта дифузії, що буде характеризувати зміну швидкості
перенесення речовини через пори твердого тіла та через граничний дифузний шар;
- зменшення в’язкості розчинника, і як наслідок дифузійного опору. Останній
фактор є причиною збільшення коефіцієнту конвективної дифузії. Крім того, з
підвищенням температури фізико-хімічні та деякі органолептичні показники напою
поліпшуються .
У процесі виробництва кави розчинної шлам (відходи) становлять від 60 % до
65 % від вихідної кількості сировини. На одну тону готової продукції (кави
розчинної) припадає від 1,5 т до 2 т шламу. Відповідно, щорічно в Україні
утворюється від 1,5 тисяч т до 2 тис. т кавового шламу в рік. Відходи (кавовий
шлам) не утилізуються, що викликає екологічно небезпечну ситуацію та
забруднення навколишнього середовища. Через те, що існуючі технології
екстрагування кави не дозволять повністю видалити алкалоїди та інші активні
речовини з сировини, шлам не підходить для використання в якості сировини для
добрив чи комбікорму. Тому у разі, коли вилучення буде більш повним, можливі
більш дешевші та ефективніші шляхи утилізації кавового шламу при виробництві
кавових продуктів.
1.5 Механізм вилучення водорозчинних речовин із сировини рослинного
походження і методи інтенсифікації
Щоб вирішити проблему повного вилучення компонентів, які містяться в
великій кількості в рослинній сировині, проводяться дослідження. щоб знайти
ефективніші схеми технологічних процесів і розробити прогресивне обладнання. Без
комплексного та стадійного аналізу процесів і явищ та дослідження окремих
факторів, що мають місце в процесі екстрагування, неможливо розвивати
технологію чи створювати нове обладнання. Інтенсифікувати процес можливо лише
при умові чіткого розуміння всіх механізмів вилучення цінних розчинних
компонентів із пористих структур. Успішно теорію екстрагування розвинули вчені,
такі як Г. Аксельруд, В. Бєлобородова, К. Гончаренко, М. Свитетз, Дж. Кларк, С.
Гребенюк, В. Ключкін, В. Лисянський, В. Пономарьов, Н. Юсупбеков та інші.
Всі живі організми, в тому числі і рослини, мають різноманітну складну
будову. Екстрагування з сировини рослинної потребує проникнення екстрагенту до
тонких капілярних структур, які є природно створеними нанорозмірними об’єктами.
Тому, зазвичай, в цих структурах міститься основна кількість екстрактивних
речовин.
Структура (скелет) пористого тіла є перепоною для екстрагенту та гальмує
процес дифузійного перенесення водорозчинних речовин. Сповільнення зумовлює,
геометрична форма самих капілярів та їхні розміри, що співрозміряються також із
розмірами органічних сполучень, що дифундують з них.
Рисунок 1.3 – Капіляри у зерні кави
У першу чергу визначити такий вплив проблематично через різноманіття
таких структур. Для вирішення цієї проблеми у більшості робіт [4] застосовують
закон Фіка та диференційне рівняння дифузії для встановлення концентраційного
поля та потоку речовини у сировині рослинного походження. При цьому потрібно
або вводити параметри, які будуть відображати вплив твердої фази на дифузійне
перенесення або вводити модифіковані коефіцієнти процесу дифузії. Зв’язок між
водорозчинними речовинами та скелетом твердого тіла може носити також
адсорбційний характер. Така форма зв’язку суттєво впливає на вихід водорозчинних
речовин і обумовлює криволінійний характер залежності між рівноважними
концентраціями в твердій та рідкій фазах. У роботі [3] концентрація розчину
(рівноважна) визначалася відповідно як до поточних значень температури
екстрагента ��ср, так і концентрації водорозчинних речовин в твердій фазі ��т, якe
визначаємо за ступенем виснаження кавових зернин, користуючись масовим
балансом процесу:
���� = −1,934 · 10−5 + 0,33 · ��т + 6,498 · 10−7 · �� −3
ср + 4,423 · 10 − ��т − ��ср. (1.1)
Тобто потрібно по формулі 1.1 визначити поточну концентрацію екстрагенту
та його обсяг і початкове значення ваги кавового зерна.
Простір пор частинок рослинної сировини уявляємо, як середовище, що буде
складатися з сполучених поміж собою пор з різною формою та геометричними
характеристиками.
Пори, які містять водорозчинні речовини відповідно до класифікації можна
розділити на:
- закриті в інертному носії;
- зайняті інертним носієм;
- заповнені речовинами в твердому стані ,що розчиняються в воді;
- заповнені рідиною.
У порах твердого тіла водорозчинні речовини можуть перебувати в
розчиненому або твердому стані. Наявність рідкої фази у порах приводить до появи
сил, викликаних капілярним тиском і тиском, що розклинює. Сили будуть діяти на
стінки пор твердого тіла, внаслідок чого пори зміщуються, і внаслідок цього пориста
структура тіла також змінюється.
Загальний вигляд процесу екстрагування буде складатися з чотирьох стадій:
- проникнення розчинника через пори в частинках рослинної сировини;
- розчинення речовини;
- перенесення мас водорозчинних речовин шляхом дифузії з внутрішньої
області частинок матеріалу, який екстрагується у прикордонний шар, що прилягає
безпосередньо до частинок;
- дифузійно-конвективне перенесення водорозчинних речовин крізь граничні
шари та розподілення їх по всій кількості розчину.
Проникаючи у пори твердого тіла, розчинник починає розчинювати
екстрактивні речовини. В цьому випадку можлива зміна лінійних розмірів та
деформування інертної маси сировини в процесі набрякання. Цей процес
характерний для більшості видів сировини, та знайшов застосування у
мікробіологічній промисловості. Дослідження показують, що в процесі набрякання
відбуваються структурні зміни сировини, які також можуть впливати на процес
дифузії молекул розчинника. В цьому випадку коефіцієнт дифузії буде залежним у
ході протікання процесу не лише від концентрації вилучених водорозчинних
речовин �� , але і від характеристик структури [5]: ∑ ���� , тобто ���� = ��(��1) і ∑ ���� =
����������.
Аналіз механізмів вилучення водорозчинних цінних речовин із кави та
встановлення впливу на них структури інертних мас зерна приведено в роботі [5].
Автор виділяє стадію набухання зернин кави у результаті безпосереднього контакту
зерна кави з розчином, але експериментального підтвердження у роботі не
приводиться.
Механізм вилучення з кави водорозчинних речовин зводиться до наступного:
- на першій стадії від 4 хв до 5 хв відбувається вилучення речовин з поверхні
частинок;
- на другій стадії (понад 5 хв), яка називається лімітуючою, відбувається
перенесення речовин з внутрішнього простору пор частинок до їхньої поверхні.
Відзначено, що при гідромеханічному екстрагуванні та при настоюванні обидві
стадії зберігаються.
Коефіцієнти обмеженої дифузії в інтервалі температур від 25 °С до 75 °С
змінюються від 0,73Т0-12 до 640-12 м2/с (при настоюванні) і від 0,04Т0-10 до 0,940-10
м2/с (при екстрагуванні гідромеханічному). Час вилучення водорозчинних речовин
із кави становить близько 13 хв. Проведено детальний аналіз механізму для першого
періоду процесу [5].
Механізм екстрагування із зерна кави розглядається згідно з теорією
кінетичної нерівноцінності пор. В період процесу внутрішньої дифузії вилучення
водорозчинних речовин із кави відбувається при наступних параметрах:
- на інтервалі температур від 20 °С до 95 °С коефіцієнти дифузії змінюються
від 3 ‧ 10-12 до 14 ‧ 10-12 м2/с (при перемішуванні) і від 0,7 ‧ 10-12 до 6 ‧ 10-12 м2/с (при
настоюванні).
Час вилучення водорозчинних речовин із кави становить приблизно 12 хв.
Якщо виходити з загального положення теорії, щоб покращити процес
екстрагування, потрібно збільшувати рушійну силу процесу та зменшувати
дифузійний опір протікання процесу. Для досягнення збільшення рушійної сили
необхідно рух фаз робити протитечійним способом. Для зменшення дифузійного
опору потрібно збільшити всередині частинок сировини коефіцієнт дифузії,
зменшувати їхній розмір та коефіцієнт ефективний масовіддачі.
Залежно від властивостей, що інтенсифікують вплив, розроблена класифікація
методів, яка дозволяє процес екстрагування прискорювати (рис. 1.4), враховуючи,
що в значній мірі ефективність екстрагування залежить від способів підготовки
сировини до процесу. Методи інтенсифікації на даному етапі забезпечують
необхідну форму, розміри і дисперсний склад частинок, підвищують клітинну
проникність сировини [3].
Інтерес до методів, де інтенсифікація процесів досягається за рахунок
технологій з використанням електричних імпульсів, які характеризуються високою
питомою потужністю та впливами на біомасу, що поміщається в реакторах,
останнім часом зростає. Це дозволяє підвищити ефективність процесу, зменшити
масо-обмінні характеристики обладнання, набагато знизити величину витрат
електричної енергії. Мікрохвильовий (МХ) нагрів дозволив інтенсифікувати
процеси теплової обробки сировини та екстрагування розчинних речовин в водному
середовищі.
Рисунок 1.4 – Методи інтенсифікації процесів екстрагування
рослинної сировини
1.6 Методи моделювання процесу екстрагування із зерна кави
В рух водорозчинних речовин загальному випадку з пор твердих тіл
рослинного походження складається з стадій:
- переходу між фазами з поверхні частинок у рідину;
- дифузії в порах.
В конкретному випадку, у залежності від умов та вихідного матеріалу, стадії
визначають кінетику екстрагування.
Загальні коефіцієнти дифузії будуть залежати від величин молекулярних та
конвективних коефіцієнтів дифузії та розмірів частинок. Молекулярні коефіцієнти
дифузії залежить від температури, в’язкості та природи речовини. На коефіцієнт
впливають стан та природа клітин твердої фази, і коефіцієнт дифузії в залежності від
різних факторів визначається тільки дослідним шляхом.
Коефіцієнт дифузії (конвективний) залежить, як від швидкості та характеру
руху екстракційних рідин, так і від фізичних властивостей даного середовища та від
розташування і форми частинок сировини.
Так математичний опис процесу екстрагування із твердого тіла
представляється диференціальним рівняння нестаціонарної дифузії:
���� ��2�� ��2�� ��2��
= �� ( + + ), (1.2)
���� ����2 ����2 ����2
де �� – концентрація екстракту, %;
�� – коефіцієнт пропорційності або молекулярний коефіцієнт дифузії, м2/с.
�� – час екстракції, с.
Для вирішення рівняння 1.3 беруться до уваги умови однозначності, що
будуть відображати конкретні інженерні проблеми.
Ці умови включають:
- геометричні, які визначають розміри та форму твердих частин;
- фізичні, які характеризують дифузійні та фізичні властивості середовища, що
бере участь у процесі (�� – коефіцієнт пропорційності, �� – динамічний коефіцієнт
в’язкості, �� – коефіцієнт масовіддачі, �� – густина;
- початкові, які визначають розподіл концентрації твердих частинок у
початковий момент процесу (�� = 0, або �� = ����������;
- граничні, для систем тверде тіло – рідина. Зазвичай це граничні умови
третього роду:
����
�� ( ) = − ��(�� ′
�� − �� ). (1.3)
���� ��=0
D процесі екстрагування фізичні властивості та співвідношення фаз можуть
істотно змінюватися. Викликано це головним чином набряканням чи навпаки
видаленням вологи із твердих частинок.
У роботі розглядається метод визначення механізму екстрагування твердої
фази з пористих тіл для випадку, коли вилучення протікає внаслідок фізичного
розчинення водорозчинної речовини, яку вилучають. У результаті досліджень для
встановлення механізму вилучення водорозчинних речовин із сировини рослинного
походження визначено значний вплив на швидкість вилучення зі структури твердих
частинок. Тому лімітуючою стадією процесу вилучення є перенесення речовини з
простору всередині капілярів частинки до її поверхні.
Відомо, що екстрагування – нестаціонарний процес. В результаті вилучення
змінюється концентрація у кожній частинці за координатами та часом. Час, який
необхідний, щоб змінити концентрацію водорозчинних речовин в розчині від ��т до
��р може бути знайдено з рішення диференціального рівняння масопровідності.
Коефіцієнт масопровідності змінюється протягом процесу і є функцією розподілу
речовини. Аналітичне рішення задачі нелінійної масопровідності поки не знайдено,
тому потрібно вдаватися до наближених методів для кінетичного розрахунку.
При вивченні кінетики процесу екстрагування в виробництві кави розчинної
було досліджено, статичні процеси у традиційних технологіях та процеси
екстрагування при проходженні руху екстрагенту через шар сировини. Для
промислового застосування найбільший інтерес представляють моделі
екстрагування в проточних установках безперервної дії. В апарат зверху надходить
екстрагент, масова витрата якого ����1, із початковою концентрацією ����1, а внизу з
апарату видаляється ����2 тієї ж фази з кінцевою концентрацією ����2. Подрібнені
зерна кави надходять в апарат знизу, масова витрата зернин на вході та виході з
апарату відповідно ��Д1 і ��Д2, а початкова і кінцева концентрація розчинних речовин
– СТ1 і СТ2.
Матеріальний баланс для даної установки можна записати у вигляді:
��Д1 · СТ1 + ����1 · ����1 = ��Д2 · СТ2 + ����2 · ����2 (1.4)
Матеріальний баланс для частини апарату починаючи від його нижньої
частини до перетину, для якого витрата фаз складає �� і ��, а їхні поточні
концентрації рівні відповідно С�� та ���� має вигляд:
����1 · ����1 + �� · С�� = �� · ���� + ��Д2 · СТ2 (1.5)
Вирішуючи це рівняння щодо ����, отримаємо:
�� ����1 · ����1 − ��Д2 · СТ2
���� = �� + . (1.6)
�� ��
Формула 1.6 є рівнянням робочої лінії процесу зображеному на рис. 1.4. Вона
показує зв’язок між робочими концентраціями даного розчинного компонента в
фазах для довільного перетину апарату. Оскільки в процесі кавові зерна набрякають,
утримуючи в своїх порах екстрагент, витрати фаз змінюються по висоті апарату.
Матеріальний баланс за компонентами-носіями для частини апарату
починаючи від його нижнього кінця і до довільного перетину будуть виражаються:
��(1 − ����) = ����1(1 − ����1) та ��(1 − С��) = ��Д2(1 − СТ2) (1.7)
звідки:
1 − ����1 1 − СТ2
�� = ����1 ( ) та �� = ��Д2 (1.8)
1 − ���� 1 − С��
Підставивши значення �� і �� в рівняння загальне матеріального балансу (1.6)
отримаємо:
1 − С
�� Т2
Д2 ( 1 − С )
�� ����2 · ����2 − ��Д1 · СТ2
���� = �� + (1.9)
1 − �� 1 − ��
�� ( ��1) �� ( ��1
��1 1 − ��1 1 − )
���� ����
Після перетворень рівняння робочої лінії набирає вигляду:
��Д2 ��Д2
(����1 − СТ2) − (����1 −
�� �� ) ��
���� = ��1 ��1 . (1.10)
��Д2 ��Д2
(1 − СТ2) − (1 − С
�� ) ��
��1 ����1
Лінія рівноваги та робоча лінія безперервного процесу екстрагування показана
на рис. 1.5.
Рисунок 1.5 – Лінія рівноваги та робоча лінія безперервного процесу
екстрагування
Для безперервних процесів зручніше мати зв’язок поточної концентрації ���� з
координатою вздовж апарату, що досягається заміною в співвідношенні (1.11)
поточного часу на координату �� по висоті апарату.
���� · ��
�� = (1.11)
��
де ���� – площа живого перетину поверхні екстрактора;
�� – швидкість руху розчинника
Виділивши нескінченно малу величину висоти апарату ����, на цьому
проміжку отримаємо середню швидкість руху розчинника:
����
�� = . (1.12)
����
Позначимо через ������ масу чистого розчинника на нескінченно малій висоті
апарату, відношення (1.13) позначає поверхню контакту фаз, що відноситься до
одиниці маси розчинника. Приймаємо, що ���� = ���������� по всій висоті апарату^
����
���� = (1.13)
������
Потік маси для фази ���� визначається поверхнею фазового контакту ��д,
рушійною силою і ефективним коефіцієнтом масовіддачі ����:
��(���� · ����)
= �� · ����(���� − ����) (1.14)
����
Підставивши у рівняння (1.14) значення ���� і FP, і, перетворивши його,
отримаємо:
������ · ��
= ���� · ��д(���� − ����) (1.15)
����
Після інтегрування (1.15) від ����1 до ����2 отримаємо:
����2
�� ������
�� = ∫ . (1.16)
�� · ���� ���� − ����
����1
Перший співмножник співвідношення (1.16) є висотою одиниць переносу для
розчину. Другий співмножник дорівнює площі ������ під кривою в координатах ���� і
(���� − ����), тому висота апарату дорівнює:
��
�� = · ������ (1.17)
�� · ����
При використанні рівняння (1.17) для розрахунку конструктивних розмірів
апарату основні труднощі виникають при визначенні коефіцієнта масовіддачі �� від
поверхні розділу фази вода – кавові зерна до потоків екстрагента, так як система
працює при умові впливу імпульсних електромагнітних полів.
Математичні описання процесу екстрагування можуть бути отримані
емпірично. В випадку експериментального моделювання, дані отримані у ході
досліджень процесу екстракції, потрібно обробляти методам подібності. Так у
Одеській національній академії харчових технологій (ОНАХТ) при
експериментальному моделюванні масо-переносу у процесі екстрагування
користувалися рівняння Фіка. Закон збереження маси у диференціальному вигляді
можна записати у вигляді:
����2 · �� ���� ����
= + ����. (1.18)
����2 ���� ����
Перша частина рівняння характеризує швидкість зміни концентрації у деякій
точці простору з часом ���� · ���� і в міру переміщення точки (����/����)���� Друга ліва
частина буде характеризувати просторові розподіли концентрації біля цієї точки.
Щоб розрахувати процеси масопередачі необхідно отримати рішення
диференційного рівняння при крайових умовах. Найважливішим з таких умов в разі
масопередачі буде рівняння, яке виражатиме масообмін на границі розділу фаз:
−������
���� = −��∆������ (1.19)
����
Рівняння (1.18) і (1.19) є математичним описом процесу масообміну.
Методами аналізу розмірності рівняння (1.18) приводиться до критеріальної форми
для апаратів безперервної дії:
��ℎ = �� · ������ · ����, (1.20)
де: Sh – дифузійне число Нуссельта (або число Шервуда);
А, n, m – постійні складові, що визначаються дослідженнями процесу;
Ре – масо-обмінне число Пекле (число дифузійної подібності);
К – коефіцієнт, який враховує особливості апарата, наприклад конструктивні.
Представлена вище інформація показує:
- що вивчення процесів екстрагування з сировини рослинного походження для
деяких випадків не може дати однозначного рішення;
- методи розрахунку, які дозволяють робити проектування екстракторів
застосовуючи мікрохвильові інтенсифікатори масопереносу, вивчені недостатньо.
- необхідно подальше вивчення процесів екстрагування кавової сировини, з
огляду впливу МХ поля.
1.7 Використання МХ технологій у харчовій промисловості
МХ випромінюванням називається діапазон частот від 300 Гц до 300 МГц, що
розташований між інфрачервоним випромінюванням і радіочастотами у
електромагнітному спектрі. В більшості нагрівальних МХ установках
використовують частоту 2450 МГц, на ній працюють мікрохвильові побутові печі.
Термін мікрохвилі став використовуватися частіше, ніж вживався раніше термін
надвисокочастотного (НВЧ) випромінювання, що має той же діапазон частот.
Для традиційних термічних способів нагрівання характерна передача тепла до
обсягу речовини з її поверхні при допомозі конвекції і теплопровідності. Коли
теплопровідність об’єкту низька, наприклад в діелектриків, то нагрівання
відбувається занадто повільно, що призводить до локального перегріву поверхні. В
разі впливу мікрохвиль на діелектрик, нагрів відбувається одночасно зсередини по
всьому об’єму продукту (зразка) за рахунок утворення ефекту діелектричних втрат.
В останні 10 – 20 років МХ технології, які застосовують використання енергії
електромагнітного змінного поля в НВЧ діапазонах, широко використовуватися у
різних галузях харчової промисловості. Для промислового використання в Україні
дозволені такі діапазони частот: від 1 МГц до 915 МГц; від 2 МГц до 2450 МГц; від
3 МГц до 5800 МГц; від 4 МГц до 24125 МГц.
Із чотирьох діапазонів МХ області використовуються два перші. В харчовій
промисловості використовуються перший і другий. У домашніх мікрохвильових
печах використовується другий В деяких країнах використовують додаткові
частоти: 433,92 МГц; 896 МГц та 2375 МГц.
Матеріал нагрівається шляхом підведення до нього енергії у вигляді
електромагнітних хвиль. Джерело нагрівального ефекту – здатність електричного
поля передавати силу заряджених частинок. Якщо ці частинки можуть рухатись
вільно в речовині то виникає індукція. З другого боку заряд, що несе субстанція,
буде обмежуватися деякими ділянками, і заряд буде рухатися, поки протидіюча сила
не врівноважить їх, тоді діелектрична поляризація буде новим ефектом.
Діелектрична поляризація і взаємна провідність – це джерела МХ нагріву.
Нагрівальний ефект МХ залежить від прикладеної потужності та від їхньої частоти.
На відміну від МХ спектроскопії, цей ефект не дає результати для широко
розподілених дискретних квантових енергетичних станів. Діелектричні властивості
матеріалів, що грають ключову роль у нагрівальному ефекті МХ, визначаються
двома параметрами, які називаються діелектричні константи і діелектричні втрати.
Перша, позначена буквою , описує здатність молекули бути поляризованою
електричним полем. При низьких частотах, досягає максимальної енергії, яка може
бути накопичена в матеріалі. Діелектричні втрати ′ будуть визначати ефективність
із якою енергію електромагнітного випромінювання можна перетворити в тепло.
Діелектричні втрати будуть досягати максимуму при зменшенні діелектричної
постійної. Коефіцієнт розсіювання, ������ ��, це відношення діелектричних втрат у
матеріалі, або можна називати фактором втрат, до діелектричної константи:
′
������ �� . (1.21)
Коли мікрохвильова енергія проникає в зразок, вона абсорбується в
залежності від коефіцієнту розсіювання. Глибина проникнення практично
нескінченна для матеріалів, що проводять МХ енергію та нульова для матеріалів із
високою здатністю відображати МХ енергію, наприклад металів. Тому велике
значення коефіцієнт розсіювання має для поглинаючих матеріалів. Оскільки енергія
стрімко поглинається та розсіюється коли МХ проходять через зразок, то чим
більше буде коефіцієнт розсіювання, тим менше МХ енергії заданої частоти буде
проникати в нього. Одним із ефективних способів досліджувати проникнення
мікрохвиль – визначити глибину проникнення при половинній потужності або на
деякій відстані від поверхні дослідного зразка розсіювання енергії буде
зменшуватися на його поверхні до половини.
Інтенсифікація під впливом МХ випромінювання застосовується у багатьох
промислових процесах: сушіння харчових продуктів, виробництво фаянсових та
фарфорових виробів, сушіння та склеювання деревини, розробка родовищ нафти
будівництво, тощо.
Нагрівання МХ випромінюванням відрізняється великою швидкістю та
високою ефективністю. Застосовуючи енергію МХ замість теплоносіїв, що
використовуються в більшості промислових установок, можливо значно спростити
технологічні схему, виключаючи процеси та апарати, що пов’язані з виробництвом
теплоносія, та зменшити шкідливі викиди в атмосферу. Дослідження, пов’язані з
визначенням впливу МХ випромінювання на перебіг різноманітних процесів, є
важливими та актуальними напрямками інтенсифікації процесів, як в промисловому
масштабі так і на лабораторному рівні. МХ поле – потенційне джерело теплоти, і
тому практично всі технологічні процеси з використанням тепла можна реалізувати
за допомогою МХ енергії.
Аналізуючи літературні джерела [3] зробимо висновок, що при використанні
МХ підведення енергії при екстрагуванні сировини з рослин потрібно менше часу,
що витрачається на проведення процесу, також підвищується вихід та якість
отриманого продукту з витратами енергії значно меншими, ніж при використанні
інших видів енергії. У рамках лабораторій розроблені установки, що
використовуються в дослідницьких роботах для різних галузей харчової
промисловості.
В дослідженнях С Терзієва детально вивчені кінетичні і статичні
характеристики процесу та запропоновано метод екстрагування з зерна кави в
умовах промислового виробництва на основі досліджень проведених в ОНАХТ.
Невивченими залишаються явища та механізми, які виникають в МХ проточних
екстракторах, також не з’ясовано чіткий зв’язок між режимними параметрами і
якістю екстракту. Також досліджено якість екстракту, не проведено глибокий
порівняльний аналіз якості екстракту, що отримані з використанням традиційних та
МХ.
Тому одним з завдань нашого дослідження є дослідження режиму роботи
екстрактора з МХ підведенням енергії з використанням меленого кавового зерна,
аналіз зв’язку параметрів роботи екстракторів в усіх зонах для отримання кінцевого
продукту та апробація в умовах промислового виробництва і виробництво
концентрату (рідкого) екстракту з кави.
1.8 Мікрохвильове екстрагування
1.8.1 Загальні відомості
Мікрохвильове екстрагування застосовується відносно нещодавно (з 80-тих
років ХХ століття), основні його переваги в порівнянні з методиками екстрагування
водою гарячою під тиском у колонних апаратах, складаються у більш простій
конструкції екстракторів, зниженню тиску та температури, більш високим виходом
готового компонента.
При екстрагуванні швидкість видалення екстракту не буде лінійно залежати
від часу, тому що концентрація розчинника у твердих частках буде мати
нестаціонарні чи недостатні виражені властивості. Феноменологічні кроки повинені
включати у себе вивчення між взаємодією твердої фази та розчинниками, які
забезпечують вилучення.
Серед цих кроків:
- проникнення розчинника в матрицю твердої фази;
- стабілізація і руйнування компонентів;
- транспортування розчинника в матрицю твердого тіла;
- міграція екстрактного розчину із поверхні зовнішньої твердої фази у масову
частину розчину;
- рух екстракту по відношенню до твердої фазі;
- розділення екстракту і твердої фази.
Іонна провідність – заряджений потік розчинених іонів в доданому
електромагнітному полі. Це іонне переміщення – електричний струм, який
розповсюджується, відповідно залежності виділення тепла ��/2��, де �� сила струму та
�� – опір, що виражений через опір потоку іонів. Іони у розчині будуть сприяти
процесам провідності, але частина струму буде проводитися деякими іонами що
визначаються їхньою концентрацією та мобільності в середовищі яка притаманна
їм. Втрати через іонну міграцію будуть залежать від заряду, розміру та провідності
молекул. Іонна провідність також залежить від рухливості іонів, концентрації іонів
та температури розчину. Іонний розчин містить як мінімум два види іонів. Кожен з
іонів проводить струм згідно їх концентрації і рухливості.
Дипольна ротація залежить від вирівнювання, яке виникає через ефекти
магнітного поля, від молекул у зразку, що мають постійні або індуковані дипольні
моменти. Коли електричне поле мікрохвильової енергії зростає, молекули
поляризуються; коли поле знижується, термічно індуковані збурення пропадають.
Представлення процесу, що виникає при накладанні МХ поля залежить як
числа змінних, що включає МХ енергію виходу, тиск, час впливу, в’язкість і розмір
дослідного зразка та властивості екстрагента (розчинника). В деяких процесах
продуктивність залежить від інших чинників.
Мікрохвильова потужність і час опромінення зворотно пропорційні:
використання високої потужності дає знижений час впливу. З іншого боку,
використання низької потужності вимагає опромінення зразка протягом більш
тривалого часу з використанням тієї ж кількості МХ енергії.
Температура – це ключова змінна у більшості аналогічних процесів. В
процесах де застосування МХ відіграє важливу роль та впливає на швидкість деяких
реакцій, може викликати погіршення якості термолабільних продуктів,
солюбилізацію деяких речовин, середовищ, тощо. Деякі мікрохвильові пристрої
оснащують термометрами, що показують або, навіть, контроллерами температури.
Тиск – це мінливий фактор для системи закритого типу. Деякі пристрої
дозволяють тиск контролювати та відображати його.
В’язкість зразка визначає здатність його поглинати МХ енергію настільки, що
це впливає на обертання молекул. Вплив в’язкості ілюструється на прикладі
крижаної води. Коли вода заморожена то її молекули «замкнені» в кристалічній
решітці. Це обмежує рухливість молекул та ускладнює вирівнювання до
електромагнітного поля. Тому коефіцієнт діелектричного розсіювання замороженої
води низький (2,7 Вт/кг при 2450 МГц). Коли температура води буде підвищується
до 27 °C, то в’язкість зменшується та коефіцієнт розсіювання зростатиме в багато
раз.
1.8.2 Класифікація МХ екстракторів
Для мікрохвильового екстрагування на сьогоднішній день розроблені різні
типи мікрохвильових екстракторів.
За будовою екстрактори поділяють:
- відкритого типу;
- екстрактори закритого типу.
Найбільш ранні моделі екстракторів представляли собою системи закритого
типу з мультирежимним резонатором. Перевагою екстракторів закритого типу в
порівнянні з побутовими МХ печами є наявність механізмів, які забезпечують
безпеку, таку як вентилювання та ізолювання камери резонатора щоб запобігти
потраплянню парів кислоти на компоненти електроніки. В 1985 році комерційна
лабораторія «Ever since» представила свою розробку мікрохвильового пристрою.
Потім різні виробники продовжили роботу по удосконаленню конструкцій, що
включали в більш рівномірний розподіл МХ поля, можливість контролю МХ
потужності, тиску, і, що важливо, підвищенню безпеки.
Системи закритого типу зараз поділяють на 3 покоління.
Перше покоління представлено тефлоновими або політетрафторетиленовими
(ПТФЕ) конструкціями, що обмежували низький тиск, та приводили до зниження
збурення при зміні матеріалу ємності, які виникали внаслідок проведення
попередніх експериментів.
Друге покоління отримало спеціальне покриття ємності, що складалися із
кришки та гільзи із тефлону на підкладці з полімеру, що давало можливість
підвищити внутрішній тиск в судинах до 20 атмосфер.
Третє покоління включало в себе опрацьовані ретельно моделі, що можуть
витримати тиск від 30 атм до 150 атм та використовуватися, як робочі станції з
ретельним контролем за автоматичним процесом обробки дослідного зразка.
Набагато пізніше з’явилися системи закритого типу, ніж системи із відкритим
типом ємності, було це обумовлено тим, що відкриті типи систем дозволяли
реалізувати процес при атмосферному тиску та задавати гнучкіші режими для
протікання процесів.
Більшість МХ систем для промислового використання були відкритого типу.
Також, МХ системи можуть розділятися на два типи в залежності від способу
підведення енергії до дослідного зразка:
- тип перший: мультирежимні системи, в яких мікрохвильове випромінювання
рівномірно та випадковим чином буде розподілятися по поверхні продукту;
- тип другий: системи в яких МХ випромінювання буде фокусуватися на
обмежених ділянках а зразки піддаватимуться сильнішому впливу, ніж в
мультирежимних системах, які називають сінглмод системами.
Кожен із типів МХ систем має свої недоліки та переваги.
Недоліки системи закритого типу:
- високий тиск вимагає підвищення вимог до вибухової безпеки, так як у
процесі взаємодії із кислотами буде виділятися водень;
- піддано обробці може бути мала кількість продукту (до 100 г), за винятком
промислових зразків, на яких можливо обробляти до 1 кг сировини;
- матеріали, що використовують в судинах ПТФЕ не можуть витримувати
високих температур;
- такі системи не часто застосовуються для екстрагування органічних
компонентів;
- одноетапні операції не дають можливість додавання розчинників чи
реагентів під час процесу;
- перед тим, як відкрити ємність, вона повинна бути охолоджена;
- використання пористого ПТФЕ може привести до так званих ефектів пам’яті;
- при лужній обробці зразків можуть виникають проблеми.
Переваги систем закритого типу:
- можливість підвищення температури за рахунок підвищення тиску всередині
ємності, що скорочує час дії мікрохвильового поля;
- закритий тип виключає можливість втрат легколетких субстанцій;
- зменшує споживання розчинника через відсутність випаровування в
навколишнє середовище;
- можливість проводити екстрагування з використанням кислотних
розчинників без пошкодження апарату їдкими парами.
Переваги систем відкритого типу:
- ведення процесу при атмосферному тиску підвищує безпеку систем;
- можливість додавати реагенти під час процесу;
- можливість використання різних матеріалів для ємності, в тому числі ПТФЕ,
скла і кварцу;
- можливість роботи з сірчаною кислотою у кварцовій посуді при
температурах, близьких до її точки кипіння, для розчинення органічних
компонентів;
- легкість, з якою можна видалити надлишок розчинника щоб забезпечити
сухість отриманого екстракту;
- можливість обробляти більше зразків;
- відсутність потреби в охолодженні або декомпресії ємності зі зразками;
- низька собівартість обладнання;
- можливість обробки у кілька циклів із видаленням розчинника.
Системи відкритого типу також мають корисні особливості:
- висока точність передачі та обліку енергії, що передається продукту;
- можливість повної автоматизації роботи;
- зразки із високим вмістом вуглецю вироблятимуть велику кількість парів і
газів. що дозволяють від їх надлишку позбавлятися без додаткових зусиль;
- даний тип конструкцій краще підходить для екстрагування з термолабільної
сировини, тому що використовуються температура значно нижча ніж у системах із
закритими посудинами;
Незважаючи на велику кількість переваг, відкриті системи мають деякі
недоліки:
- методи не такі точні, як методи із використанням закритих систем;
- неможливість обробити багато зразків одночасно, як правило обробляється
тільки один зразок, у той час, коли в закритих системах може оброблятися близько
40 зразків одночасно;
- час обробки для отримання аналогічного результату в порівнянні з
системами закритого типу займає, зазвичай, більше часу;
- робота із деякими зразками складна, так як для цього потрібні особливі
умови обробки.
Перераховані недоліки та переваги різних типів мікрохвильового обладнання
необхідно враховувати при виборі конструкції технологічного обладнання в
залежності від конкретних потреб. Системи відкритого типу цілком придатні для
водного екстрагування.
1.8.3 Принципові схеми МХ екстракторів
Незважаючи на велику кількість досліджень на тему МХ екстрагування, на
сьогоднішній день серійно промислові мікрохвильові екстрактори не випускаються.
Пристрої для МХ екстрагування знайшли застосування в дослідницькій роботі і
проведенні експериментів в галузі органічної хімії та фармацевтики.
Обладнання для екстрагування, що випускається серійно дозволяє обробляти
невелику кількість продукту (табл. 1.3).
Опису обладнання, що забезпечує високу продуктивність і які можна було б
використовувати в виробництві продуктів харчування не знайдено, чи не
виробляється в зв’язку малою ефективністю.
Розробка різноманітних типів конструкцій мікрохвильових екстракторів та
їхнє застосування для екстрагування з рослинної сировини подано у літературі. Ці
роботи мають дослідницький характер та не ведуть до промислової розробки
виробничого обладнання великої потужності.
При екстрагуванні з листя какао у дослідженнях кафедри інженерії
Малайського університету застосовувався апарат на основі побутової
мікрохвильової печі (Samsung MW718), оснащений регуляторами для здійснення
двоступеневого та дискретного режимів. Застосовувалося тільки МХ поле, проте
завдяки вдосконаленій системі регулювання використовувалися різні режими
роботи: ступінчаста зміна потужності МХ поля, режим із перериваннями впливу МХ
поля та пилкоподібна зміна потужності МХ. Результати, що були отримані в
дослідженні представлені у табл. 1.4.
Таблиця 1.3 – Огляд сучасних МХ приладів та їх основні відмінні риси
Таблиця 1.4 – Умови режимів екстрагування біологічно активних речовин
Екстрагування лугами або кислотами не застосовується, так полісахариди
пошкоджуються взаємодіючи з ними. Для екстрагування полісахаридів традиційно
застосовується метод надкритичної флюїдної екстракції, що має дуже серйозні
недоліки: труднощі при проведенні операцій; складність обладнання та висока його
вартість.
В поєднанні методики ультразвукового та мікрохвильового екстрагування
можливо значно прискорити процес та чистоту виділених полісахаридів. Методика
ультразвукової мікрохвильової синергетичної екстракції використовує кавітаційнні
коливання та високий енергетичний потенціал мікрохвильової енергії.
Комбінована методика екстрагування також застосовувалася в дослідженнях
Китайського університету Сун Ятсена. Метод екстрагування назвали технікою
гібридного польового дисперсного екстрагування у системі тверде тіло – рідина –
тверде тіло. Цільовими компонентами в процесі екстрагування використані
хлорорганічні пестициди, які містяться у тютюні. Для процесу екстрагування
застосовували прилад UWave-1000 [91].
Також, комбіновані методики екстрагування застосовують в своїх
дослідженнях фахівці Тайванського Національного технологічного університету
Чин-Йі (Тайчінг). Техніка гібридного МХ термального екстрагування
застосовується для отримання біологічно активних компонентів з кореня шовковиці.
Схеми дослідних установок і узагальнені результати приведено в табл. 1.5.
Таблиця 1.5 – Комбіновані методи екстрагування і результати експериментів
Загалом використання МХП при екстрагуванні із рослинної сировини дає
позитивні результати.
Чіткого пояснення інтенсифікації процесів при застосуванні МХП, чіткого
математичного опису і переходу до математичної моделі процесу екстрагування при
впливі МХП на рослинні структури.
При екстрагуванні із рослинної сировини, бар’єром на шляху розчинних
екстрактивних речовин в екстракт будуть оболонки клітин. В роботах вчених
наукових центрів України наголошується, щоб інтенсифікувати процес
екстрагування потрібне руйнування стінок клітин. Для цього можуть бути
використані різноманітні методи: механічні, хімічні або електрофізичні, до яких
також відноситься МХ екстрагування.
Досягнуті позитивні результати в екстрагуванні з кавової сировини [3],
виробництві коньяків, екстракції масла з амаранту та льону. Досліджуючи процеси
екстрагування визначено, що дія МХ поля викликає явище бародифузії.
Бародифузійні явища та їхнє поглиблене вивчення стали основою для розвитку
напрямку екстрагування з залученням мікрохвильового випромінювання.
У табл. 1.6 показано установки для екстрагування з сировини, розроблені на
кафедрі процесів, обладнання та енергетичного менеджменту в ОНАХТ.
Використання мікрохвильового поля для екстрагування кави дало непогані
результати [3], проте процес проводився у статичних умовах руху екстрагенту через
шар продукту, або твердої фази.
Недоліком показаних апаратів є невелика продуктивність, та періодичність
процесу, що робить їх менш перспективними для промислового застосування.
Наступним кроком у розвитку апаратів для мікрохвильового екстрагування має бути
реалізація безперервних режимів роботи, що дозволить обробляти більшу кількість
сировини та підвищити продуктивність апаратів. Працювати у цьому напрямку
почали відносно нещодавно, режим безперервного руху екстрагенту крізь шар
сировини реалізовано в роботах Т. Макієвської та С. Терзієва при роботі з кавовим
шламом.
Таблиця 1.6 – Розроблені експериментальні установки для екстрагування
Аналізуючи попередній досвід МХ екстрагування було зроблено припущення,
що при організації протитечійного руху екстрагенту та твердої фази (рис. 1.5. а) у
апаратах ефективність вилучення екстрактивних речовин зросте. Також,
ефективність екстрагування має підвищити реалізація послідовних стадій: промивка
виснажених кавових зернин вихідним екстрагентом, вичерпання цільових
компонентів з капілярних структур зерна, зміцнення екстракту (рис. 1.5. б).
а) протитечійний рух екстрагенту та твердої фази в апаратах;
б) умовне розподілення апарату на зони
Рисунок 1.5 – Запропонована схема ведення процесу екстрагування
Імовірно, використання на стадії зміцнення екстракту і видалення цільових
компонентів мікрохвильової енергії дозволить створити потужний бародифузійний
потік компонентів із об’єму зерна. Це дасть можливість виконуючи процес при
температурі до 100 °С забезпечувати практично повністю видаляти цільові
компоненти, підвищити продуктивність процесу, знизити енергоємність
обладнання, підвищити якість вихідного продукту та забезпечити безперервну
технологію екстрагування. В порівнянні з традиційними технологіями, при МХ
екстрагуванні температурний вплив буде менший, а ефективність екстрагування
буде вища (рис. 1.6)
Екстрагування у протитечійному МХ апараті можна поділити умовно на
декілька стадій (рис. 1.6, а): 1-2 – нагрівання екстрагенту від зерна; 2-3-4 –
нагрівання екстракту від мікрохвильового поля; 5-6 – нагрівання зерна екстрагентом
та мікрохвильовим полем; 6-7 – охолодження зерна та 7-8 – охолодження зерна
водою.
При екстрагуванні за традиційними термобаричними технологіями Х століття
концентрація сухих речовин на виході з екстрактора становить близько 19 %, при
екстрагуванні у мікрохвильових протитечійних апаратах, очікувана концентрація
сухих речовин ���� може перевищувати 50 %, завдяки впливу бародифузійної
складової та протитечії твердої фази та екстрагенту, ������ – концентрація сухих
речовин у виснажених зернах перевищуватиме при традиційному екстрагуванні 5 %.
а) розподіл температур за висотою екстрактора; б) ефективність використання
твердої фази в запропонованій та традиційній технологіях; в) перехід сухих речовин
в екстракт у запропонованій та традиційній технологіях
Рис. 1.6. Очікувані режими екстрагування у МХ полі
Очікувана концентрація сухих речовин в зернах ����, використовуючи
запропоновану технологію, буде знижена приблизно до 0,1 %. Початкова
концентрація ��н у зернах приймається 30 % сухих речовин.
Висновки до розділу 1
Основні висновки з аналізу літератури досліджуваної проблеми
представляються наступними:
1. Процес екстрагування при отриманні кави розчинної має важливе значення.
Техніка для екстрагування, що використовується підприємствах не дозволяє
повністю вилучити більшість цінних компонентів із кавової сировини, Передове
інноваційне обладнання не завжди доступне для потреб крупних виробників.
2. До складу зерна кави входить більше ніж 2000 різних речовин та цінних
компонентів, основні з яких: кофеїн, вуглеводи, білки, кислоти, ефірні олії, тощо.
Складність процесу екстрагування із кави полягає в багатокомпонентності складу
вилучених водорозчинних речовин. Зважаючи на складність визначення кожного з
них, параметром, що характеризує ефективність екстрагування, прийнята сумарна
кількість водорозчинних речовин.
3. Процес екстрагування із зерна кави проводиться наступними методами:
баротермічного екстрагування у батарейних агрегатах, настоювання і
перемішування, парової дистиляції, при низькотемпературних режимах, під
вакуумом, методом СО2 – надкритичної екстракції, з залученням кавітаційних та
вібраційних технологій, дискретно-імпульсного введення енергії та комбінованими
методами, тощо.
4. Математичний опис процесу екстрагування в системі тверде тіло-
екстрагент, при значущості їх результатів, не можна визнати достатнім. Наводиться
розрахунки залежності кінетики масового переносу при видаленні компонентів з
кавового зерна, проте, це приватні залежності, які вірні для конкретно заданих умов.
5. Проводилися дослідження безперервних та статичних процесів у
традиційних технологіях та періодичних процесів екстрагування при підведенні
імпульсної електромагнітної енергії.
6. Досліджувалися можливості інтенсифікації процесів масового переносу для
технологій з використанням мікрохвильової енергії.
7. Встановлено, що електромагнітне імпульсне поле в процесі екстрагування з
кавового зерна впливає на значення коефіцієнта масовіддачі, збільшуючи його від 2
раз до 4 раз в порівнянні з традиційною технологією.
8. Досліджуючи періодичні режими екстрагування із використанням МХ
енергії, було встановлено, що вплив температури екстрагенту, розміру подрібнених
часточок кави, відношення твердої та рідкої фаз, характеру енергопідведення
впливає на кінетику масопереносу.
9. Розроблені екстрактори з мікрохвильовим підведенням енергії
використовуються в рамках дослідницьких робіт різних галузей промисловості,
переважно для екстрагування із рослинної сировини. Завданнями подальшого
дослідження може бути розробка режимів роботи протитечійного екстрактора з МХ
підведенням енергії та апробація в умовах промислового виробництва.
РОЗДІЛ 2
МЕТОДИ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ МАСОПЕРЕНОСУ В СИСТЕМІ
СИРОВИНА-ЕКСТРАГЕНТ ЗА УМОВ ПІДВЕДЕННЯ МХ ЕНЕРГІЇ
2.1 Методи аналітичного моделювання
2.1.1 Загальні відомості
Для переробної промисловості АПК використовується сировина рослинного
походження. У процесі екстрагування вона істотно змінює механічні, теплофізичні
та дифузійні властивості. Для розрахунку екстрагування доцільно використовувати
інтервальні методи розрахунку, що дозволяють враховувати вплив перерахованих
факторів на процес екстрагування.
У науковій літературі наводяться залежності для розрахунку кінетики
масопереносу під час екстрагування з кавового зерна, але це приватні залежності,
що вірні для конкретно заданих умов. Дослідження робіт вирішують внутрішню
задачу окремої частки та не зачіпають зовнішню задачу для проточних процесів, що
використовуються при промисловому виробництві.
Не дозволяє встановити одну загальну модель усіх випадків екстрагування
складний характер взаємодії різних факторів, які будуть визначати швидкість
протікання процесу екстрагування у системі тверде тіло-рідина. Вирішення задачі
масопереносу в МХ полі можна розглянути як сукупність моделі: масопереносу із
пористого тіла, що має сферичну форму: дифузії у середині капілярів пористого тіла
та дифузії із точкового джерела у потік.
Розрахунок процесу екстрагування речовин рідиною із твердої фази полягає в
визначенні тривалості процесу для отримання заданого ступеня екстрагування.
Можливий також і зворотній розрахунок. тобто визначення ступеню екстрагування
речовини при заданому часу процесу.
2.1.1 Рушійна сила масопереносу і фазової рівноваги під час екстрагування з
кавової сировини
Миттєві маси потоків екстрактивних компонентів будуть пропорційні
рушійним силам. Ці сили будуть функцією часу чи координати. В періодичних
процесах ця рушійна сила буде зменшуватися, оскільки концентрації різних фаз
наближатимуться до рівноважного стану. В наполовину неперервних процесах одна
із фаз буде мати постійну концентрацію, інша буде змінною в часі. В безперервному
процесі фази надходять в екстрактор із постійними значеннями концентрації, тобто
рушійна сила буде постійна в часі та розподілена у напрямку руху потоку.
Моделі процесу екстрагування повинні визначати тривалість для апаратів
періодичної і напівперіодичної дії, або час контакту фаз і конструктивні розміри
безперервно діючого екстрактора. В усіх випадках є необхідною лінія рівноваги фаз
рідина-тверде тіло.
Рівновага під час виведення в системі рідина-тверде тіло настає у тому
випадку, коли хімічний потенціал видаленої розчинної речовини у екстрагенті буде
рівним величині хімічного потенціалу у вихідному твердому тілі. Рівновага системи
кава-вода буде досягнута при рівності концентрацій розчинних речовин в пористій
структурі твердої сировини і у основній масі розчинника. Рушійною силою у даному
випадку є різниця цих концентрацій.
Кавову сировину (тверде тіло) вважатимемо бінарною системою, яка
складається із нерозчинної і розчинної частин. Тому розчинною частиною
представляється весь комплекс компонентів, що переходять до екстракту.
2.1.2 Механізм дифузійної взаємодії в мікрохвильовому полі
Процес виведення екстрактивних речовин із кавової сировини у
електромагнітному полі надвисокої частоти здійснюється завдяки конвективній
дифузії, масопровідності та завдяки дії мікрохвильового випромінювання. Фізика
процесу МХ екстрагування заснована на властивостях води, яка є хорошим
розчинником і має яскраво виражені дипольні властивості. Під впливом
електромагнітного випромінювання дипольні молекули води в клітинах рослинної
сировини обертатися відповідно закону зміни електричного поля у перебігу періоду
робочої частоти. Тертя між молекулами нагріває воду у клітинах рослинної
сировини, а утворення пару та винос разом із ним продуктів екстракції у робочий
об’єм. Розглянемо більш докладно дію МХ випромінювання на процес.
Кавове зерно у процесі екстрагування розділятиметься на дві області:
внутрішню, де концентрація розчинної речовини максимальна ����������, і зовнішню, де
ця концентрація значно менше ��ТГ, причому із часом обсяг зовнішньої області буде
поступово зростати, а внутрішньої зменшуватися.
Частинки пористої сировини мають найменшу граничну концентрацію ��ТГ,
якій буде відповідати значення граничної концентрації у рідкій фазі ��Г, що
знаходиться на межі поділу фаз при взаємодії із розчинником.
Рідка фаза капіляру однакова по діаметру та дорівнює ��Г, що пояснюється
малим його діаметром та стисненими умовами дифузії у середині капіляру.
Внаслідок розчинні речовини будуть рухатися всередині капілярів до поверхні
часточок та утворювати другий масовий потік ����.
Рух розчинних речовин відбувається завдяки конвективній дифузії із рідкої
фази ��Г у центр потоку, де їхня концентрація дорівнює ��Е. Інтенсивність
конвективної дифузії в умовах обмеженого простору визначається коефіцієнтом
масовіддачі:
���� = ��(��Г − ��Е) (2.1)
Перенесення цільових компонентів із твердої пористої сировини (зерна кави
та шлам), будуть характеризуватися дифузійним опором. Опір мікрокапілярів
сировини, опір нанокапілярів та опір конвективної масовіддачі відбувається із
поверхні у потік екстрагента. Найбільші дифузійні опори будуть для мікрокапілярів
та нанокапілярів сировини, де будуть найбільш стислі умови. Збільшення
температури приводить до збільшення коефіцієнту дифузії. Величина коефіцієнту
дифузії підвищується під час зростання температури, інтенсифікується процес
конвективної масовіддачі, але у мікрокапілярах та нанокапілярах умови будуть
залишатися стиснутими та суттєвої інтенсифікації процесу масопереносу не
спостерігається.
Механізм дії мікрохвильового поля пояснюється на рис. 2.1. При накладенні
імпульсного електромагнітного поля паралельно руху масових потоків ���� і ����
виникає ще один потік ����.
Енергія поля, що концентрується у рідкій фазі капілярів зерна кави, викликає
утворення бульбашок пари, внаслідок чого буде виникати градієнт тиску, а рідина із
капіляра буде періодично викидається у потік.
1 – внутрішня область зернівки; 2 – зовнішня область зернівки;
3 – капіляри зернівки; 4 – екстрагент; 5 – парові бульбашки
Рисунок 2.1 – Механізм бародифузії
Ця бародифузія, визначається тиском, який зростає у капілярі. Частота викидів
та кількість функціонуючих капілярів збільшується пропорційно електрофізичному
впливу, пропонується аналогія із центрами пароутворення в процесі вакуумування
системи. При дії електромагнітного поля виникає потік, який турбулізує граничний
шар, тому опір буде на порядок нижче, чим у традиційних схемах масовіддачі.
Масовий потік ���� буде залежати від різниці тисків у капілярі ���� і у потоці
екстрагента ����, та від коефіцієнта масовіддачі ��′, що істотно відрізняється від ��:
�� ′
�� = �� (���� − ����) (2.2)
З усього вищесказаного можна зробити висновок, що масовий потік ���� буде
лімітуватися дифузійним опором (твердої фази), а загальний масовий потік ����
долатиме послідовно опір масового переносу в умовах конвективної дифузії та
обмеженого простору капіляра, при цьому потік ����, що виник внаслідок бародифузії,
буде долати дифузійний опір на кілька порядків нижче від того, який долає потік ����.
В умовах бародифузійного потоку виникають труднощі поділу потоків ����, ���� і ����,
оскільки процес бародифузії буде вносити збурення у всі зазначені складові
масопереносу цільового компонента у системі кавові зерна-екстрагент.
Подальшими завданнями аналізу буде питання розподілу концентрацій
зображених на схемі (рис. 2.1)
2.1.3 Аналітичне рішення внутрішньої задачі масопереносу під час
вилучення в мікрохвильовому полі
Рішення внутрішнього завдання масопереносу в умовах МХП можна
розглядати, як сукупність моделі масового переносу із пористого тіла, що має
сферичну форму, моделі дифузії у середині капіляру пористого тіла та моделі
дифузії із точкового джерела у потік.
2.1.3.1 Модель масопереносу з пористого тіла
Розглянемо кінетику вилучення із пористого тіла виділивши на поверхні зерна
кави область, товщина граничного шару якої �� екстрагента буде значно менше від
довжини виділеної області, тому при моделюванні будемо представляти її
пластиною, що буде омиватися тонким ламінарним шаром екстрагенту.
Для визначення функції �� (��, ��, ��) у шарі ��, будемо вважати, що геометричні
розміри, довжина та ширина пластини виділеної області (рис. 2.2), значно
перевершуватимуть товщину ��.
1 – кавове зерно; 2 – гідродинамічний і дифузний граничний шар
Рисунок 2.2 – Модель процесу екстрагування
Згідно методу перетворення Фур’є із нескінченними межами інтегрування і
при початковій умові ��(��, ��, ��)|��=0 =< 0 гранична умова:
���� ����
��|��=∞ = |= 0; ��|��=0 = | = 0 (2.3)
���� ����
2.1.3.2 Модель дифузії всередині капіляра пористого тіла
Розглянувши запропоновану модель (рис. 2.1) можна зробити кілька
припущень:
- швидкість руху розчину буде постійною по усьому перетині капіляра;
- розчинна речовина буде дифундувати від поверхні каналу у потік. Рівняння
дифузії в такому випадку зручніше представляти у циліндричних координатах
поточним радіусом �� з граничними умовами:
- �� = ����, при �� = 0 для всіх ��;
- �� = ���� , при �� = 0,5�� для всіх �� [7].
Ввівши Беселеві функції першого роду ��1 і ��0 отримаємо рівняння:
∞ ���� · ��
�� − ��′ �� ( )
�� 1 0 0,5�� ��
′ = 1 − 2 ∑ · ������ (− ��2 · ��) (2.4)
��Г − ���� �� ��1 · ���� �� 2
0 · ��
��=1
При Z, що дорівнює його довжині ��, концентрація середня на виході із каналу
після інтегрування визначається рівнянням:
��′′ ��
�� − ��′
�� 1 �� · ��2
�� · ��
′ = 1 − 4 ∑ · ������ (− ��2 ��) (2.5)
�� − �� �� �� · 0,25��2
�� �� �� 0
��=1
де ���� - значення ��, для якого ��0(��) = 0.
2.1.3.3 Модель дифузії з точкового джерела в потік
Відповідно до запропонованого механізму масообміну (рис. 2.2) необхідно
крім рішень рівнянь 2.3 та 2.4 передбачити також дію бародифузії. Результатом дії
МХ поля буде градієнт тиску, що зростає всередині відкритих пор або капіляра ��БД
та потоці екстрагенту ��Е. За умови ��БД > ��Е + ��К відбувається викид у потік рідини
із капіляра. В умові враховується гідравлічний опір ��К капіляра.
Розглянемо дифузний потік ���� екстрактивних компонентів ��, які викидаються
у потік екстрагента, які рухається у напрямку �� із постійною швидкістю ��0. В цьому
випадку вирішується рівняння:
����
��0 = �� · ∇2 · �� (2.6)
����
При граничних умовах: ��|��=0, �� → ∞:
4����2��(����/����) = ����. (2.7)
При �� → 0:
��2 = ��2 − ��2 − ��2, (2.8)
де �� – відстань від джерела;
�� – відстань по потоку від джерела;
���� – швидкість, з якою екстрактивні компоненти А входять в потік$
�� і �� – осі координат.
Потік речовини із точкового джерела прийме вигляд:
�� · ��3
��
���� = . (2.9)
4�� · �� · ��
Вважаючи режим входження екстрактивних компонентів у потік ламінарним,
швидкість їх входження в потік ���� може бути розрахована за формулою:
∆�� · ��2
���� = (2.10)
32�� · ��
де �� – кінематична в’язкість даного середовища, м2/с;
�� – діаметр капіляра, м;
∆�� = ��БД − ��Е – різниця тисків всередині відкритої пори в потоці екстрагента.
Виходячи із вищевказаного, загальний потік з точкових джерел екстрактивних
речовин дорівнює:
��′
�� = ���� · ��пит · ��, (2.11)
де ��пит – питома поверхня частки твердого тіла;
�� – поверхнева щільність капілярів у часточці твердого тіла
Завдання загального потоку з точкових джерел екстрактивних речовин має
практичне значення для аналізу профілю концентрації у потоці.
2.1.3.4 Модель масопереносу речовини із твердої фази у ядро потоку
екстрагента
При екстрагуванні із шару сировини з кави у рідкій фазі екстрагенту можуть
виникати градієнти концентрації розчинених речовин, які викликають перенесення
екстрактивної речовини усередині рідкої фази екстрагенту. Паралельно ідуть
процеси по перенесенню екстрактивних речовин, що викликані плином екстрагенту
та масовіддачі із твердої фази.
У рідкій фазі швидкість зміни в екстрактивних речовинах концентрації:
���� 1 − ��
= −∇(���� · ��) + ���� · ��пит − ∇(�� · ∇����) (2.12)
���� ��
Щоб мати можливість використовувати дане рівняння потрібно прийняти
деякі припущення:
- рух екстрагенту здійснюється тільки у напрямку осі ��;
- молекулярна дифузія e порівнянні sз конвективною дуже мала;
- відсутність безпосереднього контактного масообміну між частками кавової
сировини у напрямку осі ��;
- відсутність локальних ущільнень шару сировини
- за рахунок зіткнення часток сировини між собою відбувається зменшення
поверхонь контакту фаз.
Якщо вважати, що концентрація екстрактивних речовин будуть змінюватися
по осі ��, отримаємо:
���� ���� 1 − ��
= −���� + ���� · ��пит . (2.13)
���� ���� ��
Очевидно, що навіть при таких значущих спрощеннях завдання, які зроблені в
формулах спільні рішення складні. Гідродинамічна ситуація у потоці буде
визначатися турбулентним рухом екстрагенту, ускладненим вихровою дифузією з
каналів кавової сировини.
У зв’язку із серйозними труднощами, які виникли у результаті аналітичного
моделювання, необхідно застосовувати експериментальне моделювання, науковою
основою якого є метод аналізу розмірності та теорії подібності.
2.1.3.5 Застосування методу аналізу розмірності
Для розрахунку термічних та гідравлічних опорів та коефіцієнтів переносу,
можна отримати критеріальні рівняння за допомогою методу аналізу розмірності [3].
Щоб зробити це, необхідно скористатися загальним принципом методу
моделювання, який дозволятиме встановлювати вигляд критериального рівняння
при розрахунку коефіцієнту масовіддачі при протіканні процесів екстрагування
показаною на схемі (рис.1.1).
На величину коефіцієнту масовіддачі ���� впливають: висота шару сировини ��;
густина �� та в’язкість екстрагенту ��, швидкість його руху ��, коефіцієнт дифузії ��.
Ці параметри характеризують інерційні властивості потоку. При формулюванні
граничного шару гідродинамічна ситуація на вході у канал буде виражатися
співвідношеннями висоти шару �� та довжини шару ��. Природня конвекція
встановлюється різницею концентрації у потоці ∆�� та гравітаційного поля.
Бародифузія при дії МХ поля буде визначатися різницею тисків у зонах каналу.
Величина цієї різниці буде пропорційна енергії випромінювання та енергії, що
необхідна для утворення пари, тобто величині питомої теплоти утворення пари �� і
потужності поля ��. Вихідна функціональна залежність набуде загального вигляду:
���� = ��(��, ��, ��, ��, ��, ��, ��, ��, ��, ∆��, ��). (2.14)
Перераховані параметри представлені у таблиці 2.1. Ці параметри містять три
основні розмірності: довжину ��, масу �� та час ��.
Таблиця 2.1 – Список параметрів
Використовуючи аналіз розмірності, замінюємо цю функцію залежністю між
критеріями подібності. У нашому випадку число змінних рівне: �� = 12. Число
одиниць вимірювання �� = 3. Тоді, згідно з ��-теоремою, число безрозмірних
комплексів, що описують процес, має дорівнювати �� − �� = 9.
Параметри ��, ��, �� приймаємо для усіх безрозмірних груп однаковим.
Для першої групи будемо мати:
��
�� = ���� · ���� · ����
1 · ���� . (2.15)
Тоді розмірна матриця має вигляд приведений у табл. 2.2.
Таблиця 2.2 – Розмірна матриця
Вирішуючи систему рівнянь з табл. 2.2 при: �� = �� = −�� = �� отримаємо:
�� · �� · ����
���� = . (��. ����)
��
Комплекс ���� є безрозмірною параметричною проникністю �� та враховує
геометрію укладання часточок твердого матеріалу:
��
��8 = . (2.17)
��2
Ще один із комплексів показує співвідношення геометричних параметрів
каналу ��8 = ��/��. Це рівняння разом з (2.16) і (2.17) використовується для пошуку
різних комбінацій, що дадуть структуру критеріальних рівняннь.
Комплекс ��4 – це число Рейнольдса, а ��5 – число Шмідта. Групи ��1 і ��5 дають
число Шервуда: ��1/��5 = ���� · ��/�� = �� · ℎ, але в зв’язку із специфікою завдання,
пов’язаного із інерцією потоку екстрагенту та впливом на значення коефіцієнту ����
швидкості потоку, доцільно прийняти у якості числа, яке визначає подібності числа
Стантона:
�� · ℎ ����
������ = = . (2.18)
���� · ���� ��
Групи ��1 та ��4 дають число Стантона:
��1/��4 = ����/�� = ������ .
Відповідно:
��2 · �� 3 3 −2
3 · (��3) = �� · �� · �� · ∆�� · �� , (2.19)
є дифузійне число Грасгофа.
Вплив МХ поля вираховується комбінацією:
��7(�� −1
4 · ��6) = ��(�� · �� · ��2 · ��)−1 = ����. (2.20)
Фізичний сенс числа ���� полягає в тому, що встановлюється співвідношення
величини між витраченою електромагнітною енергією та енергією базового
процесу. Базовою енергією вважається енергія, шо характерна в традиційній
термобаричній технології.
В роботі у якості базової вважатиметься енергія, що необхідна для процесу
перетворення в пар всього розчину, що проходить крізь касету екстрактора чи групу
касет. Для даної задачі сумарної співвідношення:
�� · (�� )−1
1 4 = �� · (�� ��
4) · (��2 · ��3 · �� 3 �� −��
6 ) · (��5) х
х (�� �� −�� �� ��
7) · (��4 · ��6) · (��8) · (��9) . (2.21)
Або в більш звичному вираженні через числа подібності енергії
випромінювання модуля екстрактора і енергії необхідної для переведення в пару
відповідного потоку екстрагенту у цьому модулі:
������ = �� · (����)�� · (���� )��
�� · (����)��. (����)�� · (��/��)�� · (П)�� (2.22)
Таким чином, для умов аналізованого завдання можна знехтувати
параметричним комплексом ��/��, який є мірою турбулізації гідродинамічного
граничного шара вхідної зони та характерний для тільки коротких каналів та числом
Грасгофа, (у режимі інерційного потоку природна конвекція мала). Показники
ступеня �� и �� наближаються до 0. Великий вплив на ефективність видалення буде
мати площа контакту фаз, яка залежить від діаметру еквівалентного D. Тоді
структура критеріального рівняння набуде вигляду:
������ = �� · (����)�� · (����)��. (����)�� · (П)�� · (��)�� (2.23)
Числа Шервуда та Стантона являють дві безрозмірні форми коефіцієнту
масовіддачі. Вони форм мають свої переваги. Число Шервуда режимних параметрів
не містить, але у його склад входять характерний розмір системи і коефіцієнт
дифузії. Тому узагальнення результатів дослідження у формі:
��ℎ = ��1 · (����)�� · (����)��. (����)�� · (��)�� · (��)��,
буде мати переваги для вивчення впливу на геометричні розміри систем та фізичних
властивостей середовищ.
Число Стантона пов’язано із дифузійним опором, та не буде залежати від
уявлень про пристінний граничний шар, як області дії молекулярного механізму
масопереносу. Число ж Шервуда засноване на аналізі пристінного шару.
Аналізуючи схеми масопереносу бачимо, що значення ���� буде визначатися
інерцією потоку (при умові вільного руху масоперенос відсутній), безпосередньо на
інтенсивність масовіддачі геометричні параметри апарата не можуть впливати.
Швидкість потоку в цих умовах приймається у якості характеристичних значень
коефіцієнту масовіддачі та служить масштабом віднесення.
У результаті аналізу перевага віддається співвідношенню (2.22). Константи ��,
��, ��, ��, �� та ��, будуть визначатися при обробці даних експериментів.
2.2 Методи експериментального моделювання
Фізичним моделюванням називають методи експериментального вивчення
різноманітних фізичних явищ, що засновується на їхній фізичній подобі. Фізичне
моделювання полягає у створенні лабораторної моделі фізичного явища у
зменшеному масштабі та проведення експерименту на ній. Висновки та дані, що
отримані в експериментах, поширюються на явища у реальних масштабах.
Метод дає надійні результати, тільки у разі дотримання подібності фізичного
реального явища та моделі. Подібність буде досягатися за рахунок рівності
реального явища та моделі значень критеріїв подібності (безрозмірних чисел, які
залежать від геометричних та фізичних параметрів), що характеризують фізичне
явище. Експериментальні дані, що отримуються методами фізичного моделювання,
поширюються на реальні явища з урахуванням різних критеріїв подібності.
2.2.1 Методика визначення концентрацій екстрактивних речовин у
модельованому середовищі
При високих концентраціях кавового розчину (інтенсивно забарвленої рідини)
концентрація екстрактивних речовин у розчині буде визначатися за допомогою
ручних чи автоматичних рефрактометрів. В роботі з рефрактометрами
використовується метод градуювальних графіків. Із висушеного порошку кави
розчинної готували стандартні розчини із відомою концентрацією та вимірювали
показники заломлення цих розчинів. За отриманими даними побудовані
градуювальні графіки у системі координат масова частка речовини – показник
заломлення (рис. 2.3).
Рисунок 2.3 – Тарувальний графік для рефрактометра
В дослідах, концентрація екстрактивних речовин у розчині яких не більше чим
2,5 %, концентрація визначалася фотометром «Spekol».
Рефрактометри – оптичні прилади, тому присутні похибки, які залежать від
рівня освітлювання в приміщенні.
Значення, отримані зважуванням, порівнювалися з результатами розрахунку
матеріального балансу за концентраціями в розчині екстрактивних речовин. Кавові
зерна зважували до та після досліду. При цьому подрібнена кава буде висушуватися
до постійної ваги у термостаті при температурі близько 80 °С. Зважували зразки на
аналітичних вагах із точністю до ± 0,001 г. При роботі на фотометрі «Spekol» було
визначено довжину хвилі, показник заломлення якої для розчину кави буде
максимальним. Показник заломлення був отриманий в результаті вимірювання
оптичної щільності розчину для всіх довжинах хвиль (наявних на приладі) по
відношенню до оптичної щільності води. По результатам вимірювання побудований
графік. Він показує, що максимальний показник заломлення (для розчину кави)
відповідає довжині хвилі �������� = 560 нм. Тарувальний графік показано на рис.2.4.
Рисунок 2.4 – Тарувальний графік для спектрофотометра «Spekol»
Діапазон вимірів спектрофотометра «Spekol» становить від 340 нм до 850 нм.
Фотометр має точність до 1 нм. Для екстрактів кави із підвищеною кількістю сухих
речовин зростає значення похибки вимірювання, так як розчин має інтенсивне
забарвлення. «Spekol» використовують для визначення концентрації слабких
екстрактів, що отримують при екстрагуванні виснаженого зерна кави чи шламу.
Для визначення концентрації екстрактивних речовин також застосовувався
прилад TDS СОМ-100,що виробляється фірмою HM Digital у діапазоні вимірювання
від 0 г/л до 8,56 г/л. При визначенні концентрації екстрактивних речовин в
висококонцентрованих екстрактах, необхідно перед вимірами здійснювати
розведення їх чистим екстрагентом (до прийнятного значення концентрації).
В приладах TDS СОМ-100 (на відміну від приладів оптичних) вимірюється
зміна електрорушійної сили (ЕРС) при зануренні датчика в розчин, тому
забарвленість розчину на точність вимірів не впливає.
Тарувальний графік приладу TDS СОМ-100 зображено на рис.2.5.
Рисунок 2.5 – Тарувальний графік приладу TDS СОМ-100
2.2.2 Методика визначення граничної концентрації екстрактивних
речовин у твердій фазі
Об’єктом дослідження була система вода – кава. Методика дозволяє
визначити максимальну концентрацію екстрактивних речовин в твердій фазі.
Для виконання задачі до подрібненого кавового зерна додавали свіжий
екстрагент щоб більш повно виснажувати каву. Шляхом послідовного матеріального
балансу, порівнюючи їх результати із даними зважування сухих зразків до та після
досліду, встановлювали максимальну кількість сухих речовин в подрібненій каві.
Досліди проводили при постійній температурі, яка буде перевищувати 100 °С,
при впливі МХ поля в навколишньому середовищі.
2.2.3 Методика визначення товщини шару оброблюваного продукту
У дискретному режимі мелену каву з відомою концентрацією екстрактивних
речовин засипали до масообмінного модулю із прозорого діелектричного матеріалу,
що виконаний в формі паралелепіпеда, та міститься у камері для електромагнітної
обробки. Повіреним штангенциркулем вимірювалася товщина шару з точністю до
0,05 мм із урахуванням маси сировини, що рівномірно розподілена по всьому об’єму
масообмінного модуля.
2.2.4 Методика визначення швидкості потоку екстрагента
Щоб визначити швидкість потоку екстрагенту визначали об’ємну витрату
екстрагенту (об’єм, який протікає у камері за секунду). Об’ємна витрата розчину ��
визначалася методом зважування, тобто вимірюється час заповнення об’єму, який
відомий (ємність мірна місткістю 250 мл і ціною поділки один мл). Для цього
використовують секундомір із точністю вимірювання одна с.
2.2.5 Методика розрахунку гідравлічних характеристик
Мелена кава змішана з водою (екстрагентом) створює гідравлічний опір, має
місце явище псевдорозрідження, тому розраховуючи числа подібності
використовуємо відповідні рівняння.
�� = �� · �� · ��, (2.24)
де G – витрата;
f – площа живого перерізу;
р – густина.
Розрахунок еквівалентного діаметру:
2
���� = · . (2.25)
3 1 −
Проникність слою:
�� 2
( ��
�� = 2 )
. (2.26)
8
Площа живого перерізу:
��сл = �� · ��. (2.27)
Швидкість потоку:
����
���� = . (2.28)
��сл
Швидкість потоку в касеті:
����
�� = . (29)
Коефіцієнт Рейнольдса:
�� · �� �� · �� · ��
���� = = . (30)
�� ��
Безрозмірна параметрична проникність:
��
П = . (2.31)
��2
Коефіцієнт Ейлера:
∆��
���� = ; (2.32)
�� · ��2
���� = �� · ������ · ����; (2.33)
��
�� = ; (2.34)
��0
�� = tan �� ; (2.35)
���� ���� = ���� �� + �� ���� ��. (2.36)
2.2.6 Методика визначення потужності МХ
Основний обсяг експериментів проведено на установках, у яких
енергопідведення здійснювалося шляхом імпульсного регулювання. Задавали час
загального електрофізичного впливу та частоту включення магнетрона. МХ
установку підключали в електричну мережу через комбіновані вимірювальні
комплекти К-50. Потужність, що споживалася установкою, визначалася за
допомогою ватметра. Точність роботи таймерів перевірялася секундоміром МХ
установки. Монітор EM0328 (тестер портативний витоку МХ випромінювання)
вимірює інтенсивність поля електромагнітного у діапазоні від 0 В/см до 10 В/см.
Потужність установки «Gorenje» складає 230 В при змінному струмі 50 Гц.
Потужність мікрохвильового поля (N, Вт):
�� · ��
���� = , (2.37)
10
де �� – к.к.д. перетворення спожитої електричної потужності генератором у МХ
енергію, що споживається продуктом.
2.2.7 Методики визначення властивостей кавового розчину
При обробці результатів експериментів виникає необхідність розрахунку
теплофізичних і фізико-хімічних властивостей водних розчинів кави. В літературі
представлені залежності густини ��, питомої теплоємності ���� від температури �� та
вмісту сухих речовин в залежності від температури.
Однак, дані для визначення в’язкості питомої теплоти пароутворення �� та
температури (���� , ����) вимірювалися на вході і на виході розчину з екстрактора при
допомозі хромель-алюмелевих термопар та вимірювальних цифрових приладів типу
Fluke 561 HVA CPro і термометра DAN-1000.
Значення коефіцієнту дифузії �� системи зерна кави – вода виявлені у
літературі та встановлені середні значення коефіцієнтів дифузії систем кава – вода
0,1940-9 м2/с при температурі 25 °С [3]. Вплив температури середовища (��, °С) на
середні значення коефіцієнту дифузії, при обробці даних експериментів,
вираховувався по відношенню:
��(��) = (1,968 · 10−8 · ��3 + 3,702 · 10−5 · ��2 + 3,759 · 10−3 · �� + 0,099) · 10−9. (2.38)
2.2.8 Методика визначення коефіцієнта масовіддачі
Етапи визначення коефіцієнту масовіддачі наступні:
1 Виміряти концентрацію екстрактивних речовин у розчині та сировині і
температуру розчину у початковий момент часу ��н, °С; ��н, % та кінцевий момент
часу ��к, °С; ��к, %;
2 Вимірювання обсягу екстрагента ��, м3 і ваги кавових зернин ��з, кг;
3 Вимірювання температури розчину в момент ��н – ��н, °С;
4 Вимірювання температури розчину в момент ��к – ��к, °С;
5 Реєстрація потужності МХ випромінювача N, Вт;
6 Розрахувати об’ємну витрату екстрагенту ����, м3/с:
��
���� = ; (2.39)
��к
7 Розрахувати потік речовин із кавової сировини у розчин:
���� − ����−1
���� = , %/с (2.40)
���� − ����−1
8 Розрахувати об’ємну витрату екстрактивних речовин �� 3
�� , м /с:
����
���� = ; (2.41)
��з(���� − ����−1)
9 Розрахувати середню температуру:
��ср = 0,5(��к − ��н) °С; (2.42)
10 Розрахувати фізико-хімічні властивості кавових розчинів ��, ����, �� і �� при ��ср
та поточній концентрації ���� за рівняннями 2.43, 2.44 та 2.45.
11 Розрахувати концентрацію водорозчинних компонентів в подрібнених
зернах кави:
���� + ����
��тек = ; (2.43)
2
12 Визначити площу поверхні контакту фаз – ����, м2;
���� = ��ш · ��ус; (2.44)
13 Розрахувати коефіцієнт масовіддачі:
100����
���� = , м/с , (2.45)
���� · (�������� − ����)
де ���� – рівноважна концентрація.
14 Побудувати приватні залежності впливу режимних та конструктивних
параметрів на ����.
Оскільки при виникненні явища бародифузіі буде відбуватися часткове
руйнування стінок капілярів та турбулізація прикордонного шару, то традиційна
модель масопереносу також змінюватиметься. Буде виникати загальний
бародифузійний потік ����, у якому неможливо виділити зовні і внутрішні дифузійні
складові. Таким чином, інтенсивність масообміну можна охарактеризувати
ефективним коефіцієнтом масовіддачі ����, який обчислюється по формулі 2.45.
2.2.9 Методика визначення площі поверхні контакту фаз
Методика для визначення площі поверхні контакту фаз в системі кавова
сировина-вода буде наступною:
1 Виміряти лінійні розміри ємності, у яку поміщені зерна кави та вільний
об’єм простору між частинками: довжину – ��, м; ширину – ��, м; висоту – ��, м;
об’єм – ��пр, м3.
2 Визначити об’єм ємності:
�� = �� · �� · ��. (2.46)
3 Визначити об’єм зерна кави:
���� = �� − ��пус. (2.47)
4 Виміряти масу кави (��к, кг) та її щільність (��к, кг/м):
����
��к = . (2.48)
����
5 Визначити об’єм середньої частки (�� , м3
ч ). Для цього потрібно зважити
декілька однакових навісок (��, кг) та підраховати в них кількість часток (��, шт):
��
��ч = . (2.49)
�� · ��к
6 Визначити еквівалентний діаметр часточок різної дисперсності, м:
3 6 · ��ч
���� = √ . (2.50)
��
7 Визначити площу поверхні усередненої кількості часток (��, шт) в
навішуванні – ��ч, м2:
�� 2
��
��ч = 4�� · �� ( ) . (2.51)
2
8 Визначити питому поверхню 1 кг маси подрібненого зерна кави �� 2
пит м /кг):
��ч
��пит = . (2.52)
��
9 Визначити площу контакту фаз �� , м2
к :
��к = ��ш · ��пит. (2.53)
2.2.10 Методика узагальнення результатів дослідів
Розрахунок чисел подібності та необхідних для цього параметрів проводиться
відповідно до методики.
Методика узагальнення результатів і їх обробка включає послідовність
виконання етапів в такій послідовності:
1 Визначити пористість шару сировини з кави:
��пр
= . (2.54)
��
2 Визначити еквівалентний діаметр каналу в шарі подрібненої кави по
еквівалентному діаметру частинок:
2
���� = · · ���� . (2.55)
3 1 −
3 Проникність ��, м2:
�� 2
��
�� = ( ) . (2.56)
2
4 Розрахувати площу живого перетину для проходу екстракту через шар
подрібненої кави у касеті �� 2
СЛ, м :
��СЛ = �� · ��. (2.57)
5 Визначити по середній температурі коефіцієнт дифузії D (формула 2.38).
6 Розрахувати швидкість потоку екстрагенту в касеті ��, м/с:
����
�� = , (2.58)
де ���� – фактична швидкість потоку екстрагенту в касеті, м/с.
7 Число Рейнольдса:
�� · ��
���� = . (2.59)
��
8 Числа Шмідта:
��
���� = . (2.60)
��
9 Число Стантона:
����
������ = . (2.61)
��
10 Розрахувати безрозмірну параметричну проникність:
��
П = . (2.62)
��2
11 Число Бурдо:
����
���� = . (2.63)
�� · ��2 · �� · ��
12. Побудувати приватні залежності:
���� = ��(��); ���� = ��(��); ������ = ��(����). (2.64)
2.2.11 Оцінка помилок вимірювань
Метою екпериментальних досліджень було визначення параметрів
критеріального рівняння (формула 2.23) та залежності для розрахунків умов фазової
рівноваги. Від точності розрахунку ������, ����, ���� ,буде залежати помилка оцінки
параметрів критеріального рівняння. Щоб зменшити систематичні помилки, що
визначаються похибкою приладу, використовуємо прилади класом точності від 0,5
до 1.
Вплив випадкових помилок на результати корегувався проведенням
повторних вимірів. Отже, порядок оцінки помилок експериментальних досліджень
наступний:
1 Інструментальні помилки при прямих вимірюваннях;
2 Помилки похідних величин при непрямих вимірюваннях;
3 Помилки методів обробки вимірювання.
Висновки до розділу 2
1 Дослідження процесу екстрагування з рослинної сировини показують, що
необхідно глибоко вивчати процес екстрагування кави, враховуючи вплив МХ поля.
Розроблених моделей в загальному вигляді недостатньо.
2 Механізм впливу МХ поля ґрунтується на бародифузії, яка виникає в процесі
утворення парових бульбашок всередині капілярів пористого тіла. Загальний
бародифузійний потік характеризується коефіцієнтом масопередачі ���� в якому
неможливо виділити внутрішні і зовні дифузійні складові. Таким чином,
інтенсивність масовіддачі можна охарактеризувати ефективним коефіцієнтом
масовіддачі ����.
3 Рішення основних завдань МКР аналітичними методами ускладнено,
обґрунтовано необхідність експериментального моделювання даного процесу
екстрагування із капілярно-пористого тіла в МХ полі.
4 Методом аналізу розмірностей було встановлено структуру критеріального
рівняння. У випадку екстрагування у МХ полі під час руху розчину крізь пористий
шар, число Стантона буде визначатися числами Рейнольдса, Шмідта, Бурдо, та
безрозмірною величиною параметричної проникності, що встановлює
співвідношення потужності МХ поля та тієї енергії, яка потрібна для переходу
розчину у парову фазу.
5 Розглянуто методики визначення: концентрації сухих речовин у екстракті;
властивості кавового розчину; умов фазової рівноваги; потужності МХ поля; площі
поверхні контакту фаз; коефіцієнту масовіддачі та проникності шару. В процесі
виконання МКР була розроблена методика узагальнення результатів експериментів.
РОЗДІЛ 3
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ
3.1 Оцінка достовірності отриманих результатів дослідів
Виконання завдань, що поставлені у роботі виконувалось шляхом проведення
експериментальних досліджень, які спрямовано на вивчення гідравлічних та
масообмінних процесів, які відбуваються у масообмінних модулях мікрохвильового
апарата безеперервної дії у окремо та в апараті в цілому.
На першому етапі експериментальних досліджень проведена оцінка
достовірності результатів та порівняння їх із аналогічними результатами наукових
існуючих робіт із вивчення процесу масопереносу у системі вода-кавова сировина,
вода-кавові зерна.
Для дослідження масопереносу під впливом МХ визначені завдання:
- визначити гідродинамічну ситуацію в масообмінних модулях екстрактора;
- вивчити вплив режимних параметрів (співвідношення твердої і рідкої фаз,
характер підведення енергії, температури екстрагенту, швидкість потоку
екстрагента, еквівалентний діаметр часток, висоту шару продукту) на кінетику
екстрагування та енергетичну характеристику процесу масообмінного модуля
екстрактора, що знаходиться відносно корпусу нерухомо МХ екстрактору при
постійному русі екстрагента;
- вивчити вплив температури екстрагента, характеру підведення енергії,
екстрагування при умові розрідження;
- узагальнити результати експериментів.
3.2 Оцінка достовірних результатів дослідів
Для проведення експериментальних досліджень використовувалися методики
наведені у літературі [3]. Для оцінки вірності методик проведено експерименти, що
відтворювали експерименти, результати яких було подано.
При проведенні досліджень гідродинамічного стану у масообмінних модулях
екстрактора використано методику наведену у літературі [25]. Експеримент
проведено з діапазонами зміни витрати екстрагента (��) та тією ж висотою шару
продукту в модулі, із використанням кавового шламу.
1 – товщина шару продукту від 5 мм до 14 мм (література);
2 – товщина шару продукту від 5 мм до 14 мм (експеримент)
Рисунок 3.1 – Гідравлічні характеристики модулів заповнених шламом
Для оцінки достовірності методики екстрагування в МХ полі відтворювали
експеримент по методиці з літературних джерел [6].
1 – екстрагування в нерухомому шарі (згідно літератури);
2 – екстрагування в нерухомому шарі (згідно експерименту)
Рисунок 3.2 – Кінетика екстрагування меленої кави в нерухомому шарі
При екстрагуванні із меленої кави в режимі течії характеристика кривих зміни
концентрацій в екстракті та в твердій фазі порівнювалася із аналогічними
результатами, що були отримані при дослідженні кінетики екстрагування із
кавового шламу.
3.2 Визначення концентрації екстрактивних речовин в зернах кави
У відповідності із методикою, що приведена в літературі [25, 28] виконано
дослідження. Використовувалися зерна кави сорту Арабіка та екстрагент (вода) з
початковою температурою 13 °С. Екстрагування проводили двома способами: у
термостаті та у камері МХ печі.
Потужність магнетрону складала 1034 Вт. Час впливу мікрохвиль 8 с/хв. При
обох способах екстрагент нагрівали до 60 °С на протязі 5 хв, гідравлічний модуль
1:4. Було зроблено двадцять заливань зерна кави водою. Із зерна вилучено 13,88 г
сухих речовин (27,76 %) в МХ полі та 10,82 г сухих речовин (21,65 %) в термостаті.
На рис. 3.3 приведена гістограма, на якій показана динаміка видалення компонентів
із зерна.
Рисунок 3.3 – Видалення екстрактивних речовин із зерна кави
Дослід проводився до тих пір, поки розчин набував помітного неозброєним
оком забарвлення. Порівняння результатів з літературними даними свідчить про
достовірність отриманих результатів. Вміст в зернах сухих речовин коливався
залежно від сорту. В дослідах використовували каву сорту Арабіка першого ґатунку,
вміст водорозчинних речовин для якої коливається в межах від 20 % до 23 % [15].
Зміна кольору екстракту при видаленні з зерна кави показана на рис. 3.4.
Рисунок 3.4 – Зміна кольору екстракту при вилученні із зерна кави
Виснаження зерна кави у процесі екстрагування показано на рис. 3.5.
Рисунок 3.5 – Кінетика виснаження зерна кави
У досліді, отриманому в МХ полі концентрація вища, за максимальну для кави
даного сорту, що узгоджується із теорією, висунутою в роботі [24], згідно якій
утворюється бародифузійний потік під дією МХ поля, який буде переносити більшу
кількість екстрактивних речовин до екстракту.
3.3 Дослідження гідравліки у модулі екстрактора
При налагоджуванні процесу переробки продукту необхідно враховувати його
гідродинамічні властивості, тобто створенні і використанні масообмінних модулів,
в яких буде проходити процес екстрагування. На відміну від шламу кави, пори і
капіляри всередині зерна кави заповнені повітрям, а не. Щільність зерна кави
поступається щільності води і тому зерна кави не занурюються в воду, а
тримаються на поверхні. Відомо, що капіляри в зернах кави являють собою
природну наноструктуру (розмір капілярів від 5 нм), що дозволяє молекулам води
проникати до них.
У залежності від температури екстрагента і та розмірів помелу через певний
час капіляри в кавових зернах заповнюються водою і занурюються в воду. При
нормальних умовах (температура води 16 °С, температура повітря 20 °С,
атмосферний тиск 756 мм. рт. ст.) цільні обсмажені зерна кави тонуть в воді
приблизно через 5 годин. При підвищенні температури і подрібненні зерна процес
прискорюється в декілька раз. Для цілого зерна кави процес осадження буде
протікати довше ніж для меленого та дробленого зерна тому, що оболонка зерна не
порушена та утворює додаткову перешкоду для проникнення води вглиб зерна.
Таблиця 3.1 – Об’єм експериментальних гідравлічних досліджень
Для проведення дослідів створено експериментальний стенд для визначення
гідравлічних характеристик показаний на рис. 3.6. Він складається із штатива 1 та
закріпленому на ньому в горизонтальному положенні модуля 2, наповненого
продуктом. Напірну ємність з екстрагентом 3 з’єднано гнучким трубопроводом 4 з
модулем, що встановлений на висоті. Екстрагент, який пройшов крізь модуль
збирається в мірному циліндрі 5.
Швидкість руху екстрагента визначаємо ваговим способом, який забезпечить
задовільну точність результату експерименту. Зміна положення регулюючого
клапану 6 змінювала швидкість напору. Час заповнення циліндру визначався за
допомогою секундоміру. Швидкість руху впливала на рівень продукту у касеті.
Рівень у касеті визначався методом занурення штангенциркуля до касети
безпосередньо під час експерименту.
Досліди проведено з використанням цілого кавового зерна, 1/2 зерна, 1/4
зерна, подрібненими до розміру на декілька фракцій: від 3 мм до 2,5 мм; від 2,5 мм
до 2 мм; від 2 мм до 1 мм; від 1 мм до 0,8 мм та для розмеленої дрібно кави
фракцією менше 0,8 мм. Розділення кави на різні фракції проведено з допомогою
набору сит із різними розмірами отворів сітки. При проведенні дослідів мелена суха
кава утворювала рівний шар на поверхні води. Для зерна більш тонкого помелу
характерним було протікання води зверху над продуктом. Це пояснюється тим, що
дрібні частки кави будуть щільно прилягати одна до одної утворюючи великий
гідравлічний опір. Модуль (касета) заповнювали продуктом на висоту 10 мм. При
різній зміні швидкості подачі екстрагенту рівень продукту в касеті вимірювали
зануренням пристрою для вимірювання в касету із продуктом.
1 – штатив; 2 – касета із продуктом 3 – ємність із
екстрагентом; 4 – трубопровід гнучкий; 5 – циліндр
мірний; 6 – клапан регулювання витрати
Рисунок 3.6 – Дослідний стенд для визначення
гідравлічних характеристик масообмінного модуля
(касети) заповненого подрібненими зернами
Для кави різного помелу властиві різні режими протікання (рис. 3.7).
Для цілих зернин кави та крупних часточок гідравлічна характеристика мережі
буде мати класичний. Використовуючи частки дрібно подрібнені, характеристик
прийме вигляд, що характерний до процесу псевдозрідження.
1 – менше 0,8 мм; 2 – 1,2 мм; 3 – 1/2 зерна кави; 4 – 2 – 2,5 мм;
5 – 1/4 зерна кави; 6 – 2,5 – 3 мм; 7 – ціле зерно кави
Рисунок 3.7 – Гідродинамічна ситуація у касеті в залежності від зміни швидкості
руху екстрагенту та розміру часток
Пористість – ще один важливий показник гідравлічних властивостей продукту.
У лабораторних умовах було визначено пористість для меленого кавового зерна
різної товщини помелу. На рис. 3.8 подано результати досліду.
Рисунок 3.8 – Залежність пористості від розміру часток продукту
З використанням методики наведеної в різних літературних джерелах
створимо алгоритм, що узагальнює результати досліджень (рис. 3.9).
За алгоритмом проведемо розрахунки. Визначимо число Рейнольдса і число
Ейлера згідно з блоками 6 і 7 алгоритму узагальнення результату досліджень (рис.
3.9), що приведені в таблиці 3.2.
Рисунок 3.9 – Алгоритм узагальнення результатів досліджень
Таблиця 3.2 – Взаємозалежність безрозмірних чисел Рейнольдса і Ейлера
Визначено залежність площі живого перетину каналу у масообмінному модулі
мікрохвильового екстрактора та витратою екстрагенту (рис. 3.10).
1 – < 0,8 мм; 2 – від 1 мм до 2 мм; 3 – від 2 мм до 2,5 мм; 4 – від 2,5 мм до 3 мм
Рисунок 3.10 – Залежність площі живого перетину від витрати екстрагенту
Число Ейлера залежить від витрати екстрагента для касети (масообмінного
модуля) МХ та показано на рис. 3.11. Число Ейлера буде більшим для часточок кави
подрібненої до меншого розміру.
1 – < 0,8 мм; 2 – від 1 мм до 2 мм; 3 – від 2 мм до 2,5 мм; 4 – від 2,5 мм до 3 мм
Рисунок 3.11 – Залежність числа Ейлера від витрати екстрагенту
Із метою спрощення співвідношення між числами подібності у логарифмічних
координатах показано на рис. 3.12.
1 – < 0,8 мм; 2 – від 1 мм до 2 мм; 3 – від 2 мм до 2,5 мм; 4 – від 2,5 мм до 3 мм
Рисунок 3.12 – Залежність числа Рейнольдса від числа Ейлера для кави меленої
Для отримання графіків, що дозволяють обирати обладнання для
мікрохвильового екстрактора виконано декілька узагальнень. За графіками
залежності числа Рейнольдса від числа Ейлера визначено значення Ейлера для
різних еквівалентних діаметрів при одному значенні числа Рейнольдса – ���� = 55.
Для отриманої кривої визначено кут нахилу ��, щоб позбутися розмірності
еквівалентних діаметрів та врахувати цей діаметр в модифікованому числі Ейлера.
Для цього вводиться число �� = ����/��0, де ��0 = 1 мм, щоб позбутися розмірності
еквівалентного діаметру часточки кави меленої.
Рисунок 3.13 – Залежність відносного розміру часток від числа Ейлера
Після визначення кута α визначимо значення коефіцієнта �� = tan ��, і
побудови залежності для всіх еквівалентних діаметрів в одному графіку, бачимо, що
він піддається лінеаризації, а це свідчить про високу адекватність при дослідженні
отриманих результатів.
Рисунок 3.14 – Лінеарізований графік залежності ����/���� від Re.
Тепер, використовуючи отримані значення, можна конкретизувати
математичну модель гідравлічних досліджень та привести до вигляду
9,047 = ln �� + ��(−0,2231)
[ . (3.1)
7,7406 = ln �� + ��(1,10116)
�� = 6836; �� = −1,06. (3.2)
���� = 6836 · ����−1,06 · ��1,2. (3.3)
Рівняння (3.3) можна використати, щоб оцінити гідродинамічну ситуацію в
масообмінних модулях і для проектування МХ екстрактора.
Дослідження гідравлічної особливості сировини з кави показало, що на
гідродинамічний стан впливає витрата екстрагенту та тонина помелу кавових зерен.
Результати експериментів демонструють нетипові експоненціальні гідравлічні
характеристики для дрібно розмелених зерна кави, лінійні для зерна середнього
помелу (від 1 мм до 2,5 мм) та характеристики класичного виду для розмелених
крупних та цілих зерна кави. Чим тонше буде розмелена кава, тим більшою буде
поверхня контакту фаз та більшим буде ефект псевдозрідження, та більший
гідравлічний опір шару продукта. Особливості сировини важливі при
конструюванні МХ екстракторів, особливо систем подачі екстрагенту. Узагальнені
експериментальні дані будуть критеріальною моделлю залежності числа Рейнольдса
від числа Ейлера та симплексу, що характеризує розмір зерна.
Висновки до розділу 3
1 Підтверджені результати експериментів, що проведені за методикою
вивчення процесів масопереносу у системі вода – кавова сировина.
2. При дослідженні гідравлічних процесів в масообмінних модулях
протитечійного МХ екстрактора показує, що крупні часточки меленої кави і цілого
зерна будуть близькими до класичного вигляду, а дрібні часточки подібні до режиму
псевдозрідження.
3 Температура в касеті пов’язана безпосередньо з потужністю
випромінювання МХ поля у процесі екстрагування. Було встановлено, що при
підвищенні потужності МХ енергії температура екстрагента буде підвищуватися
пропорційно.
4 При підвищенні потужності МХ енергії підвищується вихід екстрактивних
речовині з кави більш ніж у два рази та суттєво зменшується тривалість процесу і
зменшується енергоємність процесу.
5 Встановлено експериментально вплив гідромодуля на вихід цільових
компонентів і повноту виведення з сировини.
6 На основі проведених досліджень визначено технологічні режими ведення
процесу екстрагування при дії МХ поля. Результати проаналізовано і узагальнено в
математичних моделях гідравлічних процесів в модулі екстрактора та кінетики
екстрагування із подрібненого кавового зерна.
РОЗДІЛ 4
ІНЖЕНЕРНІ МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ І ОПТИМІЗАЦІЯ
ПРОТИТЕЧІЙНОГО МХ ЕКСТРАКТОРА
Коефіцієнт масообміну виражає ефективність процесу масообміну. У
екстракційних апаратах на коефіцієнт масообміну будуть впливати конструктивні
параметри самих апаратів і технологічні умови проведення процесу екстрагування.
В розділі показана методика інженерних розрахунків протитечійного МХ
екстрактора. Конструкція даного екстрактора складається із п’яти секцій, які
оснащені електромагнітними генераторами розташованими один над іншим. В
апараті відбувається протитечійний рух твердої фази та екстрагенту.
При розрахунку та математичному моделюванні екстракторів застосовуються
різноманітні підходи. Екстрагування – складний процес, на який одночасно
впливатиме багато факторів. Застосування методів моделювання пов’язано із рядом
труднощів. Щоб отримати математичні моделі достатньо використання точних
інженерних розрахунків та доцільно користуватися методиками теорії подібності.
4.1 Структура розрахунку протитечійного МХ екстрактора
Однією із ключових задач при проектуванні екстракторів є розрахунок
масопередачі в системі «рідина – тверде тіло». При проектуванні протитечійного
МХ екстрактора головними параметрами обрано групи параметрів: тверду фазу,
систему енергопідведення та конструктивні особливості апаратів (рис.4.1).
Незалежними головними вхідними параметрами будуть: початковий стан
твердої фази, екстрагента та продуктивність апарату. При розрахунку потрібно
знати основні параметри МХ екстрактора: концентрацію екстрактивних речовин у
твердому тілі ��п та екстракті ��н; температуру �� екстрагента та тиск у апараті. Також
потрібно враховувати властивості екстрагенту: щільність ��; теплоємність ����;
в’язкість ��; питома теплота фазового переходу �� та коефіцієнт дифузії ��. Також слід
враховувати для твердої фази: розмір еквівалентний часток ����; пористість шару та
його товщину ��. Апарат має габаритні розміри: об’єм реакційної зони ���� та масу
завантаження твердої фази ����.
Рисунок 4.1 – Параметрична модель мікрохвильового екстрактора
Вище зазначені параметри будуть традиційними для всіх видів екстракторів.
Вперше будуть враховуватися характеристики систем підведення енергії.
Визначальними вважається: потужність одного генератора ��; його ККД �� та
кількість випромінювачів �� та час їх роботи ��. Змінними параметрами приймається:
витрата екстрагента; концентрація розчину при виході із апарату; температура
ведення процесу; потужність МХ поля та конструктивні характеристики модулів.
Послідовність розрахунку екстракторів наступна:
1 Визначити початкові параметри кавової сировини та води, продуктивность
за сировиною і продуктом;
2 Розрахувати теплофізичні характеристики екстракту;
3 Розрахувати умови фазової рівноваги;
4 Розрахувати гідродинамічні характеристики апарату;
5 Розрахувати матеріальний баланс екстрактора;
6 Розрахувати енергетичний баланс екстрактора;
7 Розрахувати кінетику масопереносу;
8 Розрахувати поля концентрації у екстракторі;
9 Розрахувати економічні параметри;
10 Визначити вихідні енергетичні та економічні параметри екстрактора.
4.1.1 Інженерна методика розрахунку теплофізичних властивостей
Властивості розчинів, що враховуються в процесі екстрагування це: густина ��;
питома теплоємність ����; в’язкість ��; питома теплота пароутворення �� та коефіцієнт
дифузії ��. У системі вода – кава параметри будуть залежати від температури �� і
вмісту сухої речовини �� в кавовому екстракті. Виходячи із цього, методика
розрахунку буде наступна:
1 Потрібно визначати початкові параметри екстрагенту: початкову
температуру ��п, і початкову концентрацію ��п;
2 Густину екстракту визначаємо за співвідношенням:
�� ��
�� = 1000 + 490,4 − (0,646 + 0,354 ) · ��; (4.1)
100 100
3 Для визначення кінематичної в’язкості розчину використовують рівняння:
6 ��33,23−5,93·ln(��+273)
�� · 10 = �� − 0,87; (4.2)
4 Питома теплоємність визначається за співвідношенням:
���� = 4,187 − (27,29 − 9,37 · �� · �� · 103
) ; (4.3)
5 Приховану теплоту фазового переходу визначають наступним чином:
�� = 2470,7 − 1,66 · �� − 0,48 · 10−2 · ��2; (4.4)
6 Коефіцієнт дифузії для кавового екстракту визначається за рівнянням:
��(��) = (1,968 · 10−8 · ��3 + 3,702 · 10−5 · ��2 + 3,759 · 10−3 · �� + 0,099) · 10−9. (4.5)
Інженерна методика розрахунку теплофізичних властивостей розчину
приведена в розділі 2.
4.1.2 Інженерна методика гідродинамічних розрахунків апарату
Гідродинамічний розрахунок проводився з метою отримання математичної
моделі гідравлічних процесів у екстракторі в загальному та конкретному вигляді.
Вихідними даними для розрахунку будуть: геометричні розміри касети (висота ��,
м), довжина ��, м, ширина ��, м); вільний простір між частками сировини ��пр м3 та
маса сировини в касеті ��, кг.
Згідно вихідних даних визначається наступні параметри.
Об’єм касети ��, м3:
�� = �� · �� · ��. (4.6)
Користуючись вхідними даними визначається об’єм касет (��, м3). Дані
необхідні для визначення об’єму касети: еквівалентний діаметр часточок (���� , м);
пористість шару сировини ( ); площа живого перетину каналу (��сл, м2 ). Швидкість
потоку (��, м/с) буде визначатися витратою екстрагенту, пористістю сировини та
площею живого перетину каналу. Також визначаються числа Ейлера та Рейнольдса.
Визначивши співвідношення чисел Рейнольдса та Ейлера визначаємо математичну
модель:
Еквівалентний діаметр часточок ����, м:
2
���� = · ; (4.7)
3 1 −
�� 2
( ��)
�� = 2 ; (4.8)
8
��сл = �� · ��; (4.9)
��
�� = ; (4.10)
��сл ·
�� · �� �� · �� · ��
���� = = ; (4.11)
�� ��
∆��
���� = ; (4.12)
�� · ��2
���� = �� · ������ · ����. (4.13)
4.1.3 Алгоритм розрахунку матеріальних та енергетичних балансів
Матеріальний баланс буде відповідати закону збереження маси. Кількість
речовини, що входить до системи, повинна дорівнювати кількості речовин, що
виходить з системи.
Балансова модель мікрохвильового екстрактора зображена на рис. 4.2.
�� – число модулів, 1 шт; �� – завантаження одного модуля, кг; �� – частота
переміщення модуля, с-1; ��н – початкова концентрація екстрактанту
Рисунок 4.2 – Балансова модель мікрохвильового екстрактора
(4.14)
(4.15)
(4.16)
(4.17)
Будується матеріальний баланс для процесу у цілому та для окремих його
стадій. Баланс складається для всього комплексу речовин, що беруть участь в
процесі за одну годину в перерахунку на кількість (одиницю) вхідних або вихідних
продуктів. Користуючись балансом визначаємо кількість продукту, що виходить на
одиницю сировини, яка витрачається (мають на увазі процентне співвідношення
отриманого продукту до теоретично максимально можливого).
Відповідно закону збереження енергії, будуємо енергетичний баланс, за яким
кількість витраченої енергії на процес буде дорівнювати кількості енергії, що
виділялася:
��поч = ��кін. (4.18)
При проведенні процесів неминучі втрати частини енергії (наприклад, втрати
теплової енергії у навколишнє середовище від корпусу апарату чи втрати зі зміною
ентальпії нашої системи, тощо).
На виході будемо мати корисну енергію, що витрачається на процес та
енергію витрат:
��кін = ��кор + ��втр (4.19)
Для МХ екстракторів важливо враховувати вплив МХ поля. Його враховують
за допомогою критерію ����, що встановлюватиме співвідношення кількості енергії
базового процесу та витраченої електромагнітної енергії. Базовою енергією в даній
роботі буде енергія ����, що необхідна для перетворення в пару всього розчину, який
проходить через касету. Із зростанням потужності �� буде зростати значення числа
МХ дії ����, зростати різниця тисків та інтенсифікуються викиди із капілярної
структури. Це буде приводити до зростання коефіцієнту масообміну ����. Крім цього
викиди турбулізують граничний шар. Число ���� характеризує як ступінь МХ впливу,
так і гідродинамічну ситуацію в касеті.
В енергетичному балансі крім теплової враховуються і всі інші види енергії.
Розрахунок витрат енергії здійснюється на основі енергетичного балансу здійснення
процесу.
4.1.4 Алгоритм розрахунку кінетики масопереносу
Завданням даного розрахунку є визначення коефіцієнту масовіддачі �� під час
екстрагування з зерна кави.
При розрахунку коефіцієнта �� враховується режим течії екстрагента (число
����), зміна властивостей потоку (число ����), безрозмірна проникність шару кави
(число П), та ступінь МХ (число ����).
Ключовою ланкою у алгоритмі буде співвідношення для визначення числа
Стантона. Вихідними даними буде число Рейнольдса, діаметр каналу (����, м) у шарі
сировини та об’ємна витрата екстрагенту (����, м3/с).
Також необхідно визначити теплофізичні властивості розчину за методикою,
приведеною в розділі 4.1.1. За значеннями в’язкості і коефіцієнту дифузії
визначаємо число Шервуда.
��
���� = . (4.20)
��
Потужність МХ поля (��, Вт), к.к.д. перетворення спожитої генератором
електричної енергії у МХ енергію (��), корисну потужність спожит продуктом (����,
Вт/кг) будемо визначати на основі даних при калориметруванні апарату:
�� · ��
���� = ; (4.21)
100
���� = ���� · �� · ��; (4.22)
Визначаємо число ����:
����
���� = ; (4.23)
����
Визначаємо безрозмірну проникність шару кави:
�� 2
( ��
2 )
�� = ; (2.24)
8
��
П = . (2.25)
��2
Математична модель пов’язує параметри (4.26) та коефіцієнт масовіддачі
(4.27) та є результатом розрахунку кінетики масоперенесення:
������ = 0,027����−0,86 · ����0,43 · ����0,43 · П0,35 · ��1,2; (4.26)
�� = ������ · ��, (4.27)
де ������ – число Стантона, яке визначається на даних експерименк;
w – швидкість потоку.
4.1.4 Інженерна методика розрахунку концентраційних полів у МХ
протитечійному екстракторі
Розрахунок взаємопов’язаних нестаціонарних полів концентрацій та
температур потоку екстрагенту та твердої фази заснований на послідовному
розрахунку концентраційних та температурних полів локальних ділянок.
Розрахунки базуються на зв’язаному рішенні системи лінійних диференціальних
рівнянь у часних похідних. В кожній локальній області по значенню початкових
розподілів температур у потоці та сировині (поля температури локальної області в
попередній момент часу) обчислюються кінетичні, фізико-хімічні, та рівноважні
характеристики, які визначають перебіг дифузійних та теплових процесів.
Довжину просторової локальної області обирають з міркування рівнозначності
розглянутих дифузійних, теплових і гідродинамічних процесів, що протікають у
локальній ділянці, тобто сумірною з геометричними розмірами масообмінних
модулів.
4.2 Методика інженерного розрахунку МХ екстрактора
Цікавим завданням буде перевірочний розрахунок МХ екстрактора. Мета
рнозрахунку: визначення концентрацій на виході із екстрактора при різному
поєднанні вхідних конструктивних та технологічних параметрів. Наведені методики
будуть базовими для побудови загальних алгоритмів розрахунку конструктивних
характеристик МХ екстрактора.
Розглянемо узагальнений алгоритм перевірочного розрахунку
мікрохвильового екстрактора [28], вхідними параметрами якого є початкові
параметри екстрагента та кавового зерна, витратні та енергетичні параметри
процесу. Алгоритм розрахунку наведено на рис. 4.3 та рис. 4.4.
Задаємось наступними вхідними характеристиками (блок 1, (рис. 4.3)):
температурою екстрагенту на вході ��′
�� та на виході ��′′
�� , початковою концентрацією
екстрактивних речовин у сировині ��′ та екстракті ��′, висота шару оброблюваного
продукту ��з (5З), щільність сировини ��з, площа шару продукту ��з та число робочих
модулів ��.
У блоках 2, 3 показано розрахунок витрат кавової сировини ��з та витрата
температури і-го модуля ������ відповідно.
Далі показано розрахунок масопереносу кожного i-го модуля МХ екстрактора
у порядку їхнього розміщення по висоті апарата (блоки 4, 5, 6).
D блоці 7 величина �� буде виражати середню масову витрату вилучених
екстрактивних речовин із твердої фази у розчин, а �� – сумарну потужність МХ
випромінювання, яке підводиться до всіх масообмінних модулів в камері
екстрактора.
У блоці 8 відбувається висновок розрахункових вихідних параметрів
мікрохвильового екстрактора. Ключовою ланкою у алгоритмі розрахунку МХ
екстрактора буде розрахунок масопереносу для кожного окремого модуля. Блок-
схема модуля представлена на рис. 4.5.
Рисунок 4.3 – Алгоритм розрахунку мікрохвильового екстрактора
Рисунок 4.4 – Блок-схема розрахунку масопереносу і-го модуля МХ екстрактора
4.3 Комп’ютерне моделювання
Перед виготовленням апарату необхідно уточнення основних конструктивних
характеристик апарату: габаритних розмірів, кількісті секцій, потужності генератора
електромагнітної енергії, витрату екстрагенту і сировини. В основі комп’ютерного
експерименту використано рівняння інтенсивності масопереносу із кавової
сировини при умов дії МХ поля і запропонована методика інженерних розрахунків
МХ екстрактора.
Комп’ютерний експеримент дає можливість розробити технологічні
рекомендації по веденню процесу екстрагування при умов дії МХ поля.
Основні інструменти для проведення експерименту – комп’ютерна техніка та
набір програмних пакетів «EXTRACTOR» і Microsoft Excel написаних на мові
програмування Pascal, у середовищі Borland Delphi 7.0. Розрахунок проводився при
наступних вихідних даних:
- продуктивність по каві ���� = 3 – 20 кг/год;
- початкова концентрація в каві ���� = 30 %;
- товщина шару сировини в касеті �� = 5 – 30 мм;
- діаметр еквівалентний каналу ���� = 1 мм;
- щільність кавових частинок �� = 850 кг/м3;
- пористість шару = 0,6;
- продуктивність по екстрагенту (вода) ��е = Ge = 6,5 – 20 л/год;
- початкова концентрація екстрагенту ��е = Хе = 0 %;
- початкова температура екстрагента ��п = 10 – 15 °С;
- кінцева температура екстрагента ��к = 60 – 90 ° С;
- розміри одного модуля n, мм (L/B/H): 220/135/40.
Графіки побудовані по результатом експерименту показані на рисунках.
Кінцева концентрація в каві від витрати екстрагента та температури
екстрагента показана на рис. 4.5 а.
Кінцева концентрація в каві від витрати екстрагента та висоти шару сировини
в касеті показана на рис. 4.5 б.
а) 1 – 60 °С; 2 – 70 °С; 3 – 80 °С; 4 – 90 °С;
б) 1 – 5 мм; 2 – 10 мм; 3 – 20 мм; 4 – 30 мм
Рисунок 4.5 – Кінцева концентрація в каві від витрати екстрагента
та температури екстрагенту і висоти шару кави в касеті
Збільшення товщини шару кави у касеті (рис. 4.5, б) у 3,5 раз збільшує
концентрацію в кавових зернах на виході 1,8 раз. Тому необхідно вибрати
продуктивність екстрактора по висоті шару кави та екстрагенту і у касетах при
сталій продуктивності за сировиною, щоб на виході із екстрактора кава повністю
була виснажена, і отримуємо максимум готового продукту при виході з екстрактора.
Рис. 4.6 а показує, що при зростанні температури незначно збільшується вихід
екстракту кави.
1 – 6,5 кг/год; 2 – 10 кг/год; 3 – 20 кг/год
Рисунок 4.6 – Залежність кількості продукту від температури екстрагенту на виході
Характер процесу екстрагування не дозволяє допустити формування умов
фазового переходу екстрагента (води) та максимально може впливати на допустиму
температуру екстрагенту. Екстрагування відбувається при атмосферному тиску,
тому температура не перевищуватиме +100 ° С (рис. 4.7).
1 – 50 °С; 2 – 70 °С; 3 – 90 °С
Рисунок 4.7 – Залежність виходу продукту в залежності від кількості сировини
при постійній витраті екстрагенту
При збільшенні витрати екстрагента у 3 рази продуктивність буде
збільшується у 1,3 рази ( рис. 4.8).
1 – 5 кг/год; 2 – 10 кг/год; 3 – 20 кг/год
Рисунок 4.8 – Залежність потужності МХ екстрактора при витраті сировини
2,4 кг/год від кінцевої температури екстрагенту та витрати екстрагенту
Згідно графіка (рис. 4.8) збільшення витрати екстрагента приводить до
збільшення питомої потужності споживання енергії установкою, при необхідності
створення умов підтримання заданої температури екстрагенту.
Приріст витрати енергії не буде прямопропорційним зростанню витрат
екстрагенту, так як споживання енергії споживається не лише на нагрів екстрагенту,
а і на нагрівання сировини та компенсацію втрат в навколишнє середовище.
Потужність падає при збільшенні висоти шару кави у масообмінному модулі,
а завантаження та температура процесу буде залишатися постійною (рис. 4.9).
Найбільший вплив на протікання процесу екстрагування під дією МХ поля надають
режимні та технологічні параметри: продуктивності по сировині та екстрагенту,
вихідна МХ потужність магнетронів та висота шару кави у масообмінному модулі.
Рисунок 4.9 – Залежність потужності магнетронів МХ екстрактора
при витраті сировини 5 кг/год та витраті екстрагенту 10 кг/год.
4.4 Опис експериментально-промислового зразка МХ екстрактора
На рис. 4.10 зображена дослідна установка, яка дозволяє здійснювати
безперервну екстракцію твердих тіл екстрагентами (рідинами) у протитечії. Процес
відбувається при послідовному переміщенні екстрагента через ряд касет (послідовно
розташованих) із одночасним впливом на каву розчинника, який подається назустріч
МХ енергії і твердій фазі, із якої будуть екстрагуватися цільові компоненти.
Рисунок 4.10 – Зразок експериментального промислового МХ екстрактора
Експериментальний промисловий зразок МХ екстрактора безперервної дії для
системи рідина – тверде тіло містить вертикальний корпус із пристроями введення
та виведення фаз, збірник екстракту, генератори імпульсної МХ енергії. Екстрактор
від інших відрізняється тим, що його корпус виконаний із каскаду резонаторних
камер із нержавіючої сталі із магнетронами, днище верхніх камер з’єднується із
поверхнею нижчих камер за допомогою шлюзових каналів, через які переміщуються
блоки касет із продуктом. Касети мають в кришці отвір, у який уводиться штуцер
верхньої касети, а штуцер розміщений на дні касети у протилежній отвору зоні, в
наступну касету, відповідно. При цьому вхід в штуцери у касеті мають елемент для
фільтрації. Касети, штуцери та фільтруючі елементи виконані із радіопрозорого
матеріалу. Вхід у отвори самої верхньої касети з’єднується трубкою із ємністю,
наповненою екстрагентом, а штуцер найнижчої касети розміщений в зоні
накопичувача екстракту, вихід із якого з’єднується із ємністю готового продукту за
допомогою трубопроводу. У екстракторі кожна із камер оснащена панеллю
керування із цифровим дисплеєм рівня потужності, таймером та секундоміром.
Передбачена можливість регулювання у достатньому діапазоні витрати
екстрагенту та швидкості переміщення твердої фази.
Принципова схема МХ екстрактора показана на рис. 4.11.
В металевій шахті поміщено 38 касет, які зібрані в блоки, та виконані в формі
паралелепіпеда прямокутного і призначені для закладання кавової сировини.
Конструкція екстрактора дозволяє змінювати швидкість переміщення касет по всій
висоті шахти (кас./хв) в процесі проведення екстрагування.
1 – резонаторні камери із системами управління; 2 – шлюзи;
3 – генератори МХ випромінювання; 4 – масообміні модулі (блок касет)
Рисунок 4.11 – Схема експериментального промислового зразка МХ екстрактора:
Характеристика експериментального зразка МХ екстрактора безперервної дії
показана у таблиці 4.1.
Таблиця 4.1 – Основні характеристики експериментального зразка екстрактора
Сукупність впливу на сировину МХ поля та протитечійного руху екстрагента
відносно твердої фази буде призводити до інтенсифікації процесу екстракції. Дія
МХ поля пришвидшує процес дифузійного переносу у декілька раз за рахунок
бародифузіі.
4.5 Дослідження характеристик спільної роботи системи МХ
випромінювачів еккстрактора методом калориметрії
З метою встановлення характеру розподілу потоків енергії у модулях зразка
МХ екстрактора проведена серія експериментальних досліджень за методом
калориметрії, описаному у розділі 2.
1 – режим 50 %, 2 – режим 70 %, 3 – режим 100 %
Рисунок 4.12 – Зміна різниці температур на виході із МХ екстрактора
в ході експерименту
1 – режим 50 %, 2 – режим 70 %, 3 – режим 100 %
Рисунок 4.13 – Розподіл енергії на виході із МХ екстрактора у ході експерименту
Результати дослідів із дослідження потоку розподілу енергії в касетах
показано на рис. 4.14.
Рисунок 4.14 – Зміна температур в масообмінних модулях
МХ екстрактора в ході експерименту
Згідно експериментам при збільшенні в два рази часу роботи МХ
випромінювача екстрактора відбувається збільшення потужності теплового потоку
приблизно на 16 %.
У даний час у світі існує два головні стандарти по рівню безпеки МХ
випромінювання. Один розроблений Американським національним інститутом
стандартів (ANSI) та встановлює рівень безпечного випромінювання при щільності
10 мВт на квадратний сантиметр. Чинний в Україні стандарт у тисячу разів менше.
При проведенні експериментів на МХ екстракторі ці норми дотримувалися та на
найпотужніших із них рівень випромінювання на відстані одного метра не
перевищував 10 мВт/см2.
4.6 Випробовування мікрохвильового екстрактора в умовах виробництва
На старті експерименту у нижній камері встановлено блок із чотирьох касет.
Кожні дві хвилини додавалася одна касета із продуктом. Витрата екстрагенту
становила 7,2 кг/год. В першому досліді серії досліджень відпрацьовано перший
цикл роботи мікрохвильового протитечійного екстрактора (МХПЕ). В касети було
завантажено 50 г подрібненої кави і досліджено кінетику екстрагування, шляхом
відбору проб екстракту на виході з апарату та визначення його концентрації
показано на рис. 4.15.
Рисунок 4.15 – Зміна концентрації екстракту на виході
із МХП екстрактора при завантаженні касет 50 грамами продукту
На виході із екстрактора, після його повного завантаження по висоті, був
отриманий екстракт кави з відносною концентрацією сухих речовин 15%. На
другому етапі наших досліджень збільшили завантаження касет до 100 грам, тоді як
інші параметри були сталими. Плануючи експеримент передбачали, що
концентрація буде зростати прямопропорційно завантаженню касет, тобто в 2 рази.
При проведенні експерименту було отримано результат, показаний на рисунку 4.16.
Експериментальні дослідження підтвердили вірність гіпотези, щодо впливу
завантаження касети на концентрацію екстракту. На виході було отримано екстракт
з концентрацією сухих речовин 29 %. Згідно результатів випробувань розроблено
прогнозний графік (рис. 4.16). Згідно з прогнозом, при збільшенні завантаження до
300 г можливо отримати рідкий концентрат кави з вмістом сухих водорозчинних
речовин 50 – 60 %.
Рисунок 4.16 – Зміна концентрації екстракту при виході
із МХП екстрактора при завантаженні у касети 100 г продукту
На рисунку 4.17 показано графік з прогнозуванням результату для різного
завантаження касет.
Рисунок 4.17 – Графік з прогнозуванням результату
для різного завантаження касет
Характеристика нелінійна, тому що на більш ранніх стадіях проводили оцінку
впливу різних режимних параметрів на процес екстрагування, у тому числі і рівня
продукту у касетах (рис. 4.18). Одержані характеристики вказують, що із
збільшенням товщини шару у касетах ефективність вилучення із сировини
несуттево знижується.
Товщина шару продукту, мм
Рисунок 4.18 – Вплив товщини шару продукту
на вміст екстрактивних речовин у зернах кави
По завершенню проходження касети по всій висоті МХ екстрактора було
проведено оцінку ефективності вилучення сухих речовин. Верхня касета блоку, що
пройшла всю висоту екстрактора була видалена, та отриманий шлам був
перевірений на вміст сухих речовин за стандартною методикою.
Відібрані 100 грам шламу, вологовміст якого становив 84,6 % був поміщений
у лабораторний екстрактор з зворотним холодильником та з нерухомого шару із
шламу вилучались екстрактивні компоненти. На рисунку 4.19 представлені
результати вилучення сухих речовин з шламу, отриманого після проходження
касети по висоті МХ екстрактора
Згідно із результатами експерименту, у шламі залишалося 0,65 %
екстрактивних речовин, що добре узгоджується із метою, яка поставлена у
дослідженні. Можна говорити про те, що дана технологія і апарат ресурсоефективні
і дозволяють підвищити резерви використання сировини. Отриманий на виході з
екстрактора концентрат кави із вмістом сухих речовин 50 – 60 % – це сучасний
аналог сухої розчинної кави, при цьому продукт зберігає харчову цінність і якість,
аналогічну натуральній каві, що підтверджує висновок про якість продукту.
Рисунок 4.19 – Процес вилучення екстрактивних речовин з шламу
Виключення етапу сушіння дозволить значно підвищити енергоефективність
виробництва концентратів кавових продуктів.
Таблиця 4.2 – Дослідні дані
Розраховані кінцеві концентрації екстрактивних речовин в кавовому екстракті
МХ екстрактора безперервної дії для відповідних умов виробничих випробувань
наведені на рисунку 4.20.
Як видно із графіків (рис. 4.20 а, б, в) запропонована методика та отримане
критеріальне рівняння задовільно описують процеси масопереносу вумасообмінних
модулях МХ екстрактора.
Порівняння розрахованих даних із експериментальними показує адекватність
розробленої моделі, а максимальна відносна помилка розрахунків не буде
перевищувати 15 %.
1 – в твердій фазі (екстракт); 2 – в рідкій фазі (кава)
При підводі МХ потужності магнетрона ���� (кВт/кг): а) 0,148; б) 0,247; в) 0,370
Рисунок 4.20 – Зміни вмісту екстрактивних речовин
по кожному масообмінному модулю блоку касет по висоті установки
Отриманий кавовий екстракт, після обробки кави у експериментальному
зразку МХ екстрактора, досліджений у лабораторії підприємства ПАТ «Енні Фудз»
та отримав позитивні оцінки по всім критеріям якості виробленої продукції.
Показники якості включали перевірку фізико-хімічних, органолептичних,
мікробіологічних та показників безпеки продукту. Досліди проводилися згідно
ДСТУ 4394.2005.
Висновки і рекомендації, отримані при виконанні роботи, будуть використані
на підприємстві ПАТ «Енні Фудз» при освоєнні безвідходної технології
виробництва кави розчинної, пов’язаної із отриманням рідкого концентрату
кавового екстракту.
Висновки до розділу 4
1 Розроблену методику інженерних розрахунків МХ екстрактора представлено
в вигляді узагальненої структури і інженерної методики при розрахунках
самостійних етапів – фазової рівноваги, гідродинамічних характеристик,
теплофізичних властивостей та кінетики масопереносу.
2 На основі запропонованої методики складено алгоритм перевірочного
розрахунку режимів гідравліки, масопереносу при комбінованому МХ впливі.
3 Отримані критеріальні рівняння для розрахунку інтенсивності масопереносу
під час екстрагування із кави в умовах дії МХ поля та запропонована методика
інженерних розрахунків МХ екстрактора використовувалася при проведенні
комп’ютерного моделювання.
4 Аналіз комп’ютерного експерименту показав, що найбільший вплив на
процес екстрагування під впливом МХ поля для розробки рекомендацій по режимам
проведення даного процесу надають такі режимні та технологічні параметри:
продуктивность по сировині та екстрагенту, вихідна МХ потужність магнетронів, та
висота шару сировини у одиничному масообмінному модулі
5 Серія комп’ютерних експериментів, що заснована на запропонованому
алгоритмі, дозволила оптимізувати конструктивні та режимні параметри
функціонування екстрактора.
6 Для оцінки ефективності впровадження МХ екстрактора слід враховувати
енергетичні та економічні параметри. Прибуток визначається різницею між зміною
собівартості одиниці продукції після впровадження і питомих капітальних витрат
після проведення заходу з урахуванням обсягу річного виробництва підприємства.
7 Розроблений МХ екстрактор безперервної дії, забезпечує екологічно
безпечну технологію екстрагування. Підтверджено можливість одержання
концентрату з кави із вмістом сухих речовин понад 50 %.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1 Комплексним показником інтенсивності процесу екстрагування буде
ефективний коефіцієнт масовіддачі ����, що є функцією від 12 параметрів.
2 З використанням теорії подібності отримано математичні моделі
гідравлічних і масообмінних процесів в диференціальній формі, виділено
еквівалентний розмір кавових часток ��, як окремий фактор в математичній моделі.
3 Експериментально визначено гідростатичній тиск в масообмінних модулях,
числа Ейлера та Рейнольдса при протіканні екстрагенту через шар продукту, при
зменшенні дисперсності часток меленої кави менше одного мм мають місце процеси
псевдозрідження.
4 Визначено вплив витрати екстрагенту, збільшенням еквівалентного діаметру
часток, товщини шару на вихідну концентрацію сухих речовин у екстракті.
5 Визначено коефіцієнти масовіддачі при зміні режимних параметрів.
Результати експериментів узагальнено в вигляді математичних моделей в
критеріальній формі.
6 Розроблені інженерні методики дозволили визначити параметри, які
впливають на функціювання економічної ефективності: вартість одиниці енергії;
річне споживання енергії, вартість установки та кількість сировини, що збережена за
рахунок додаткового вилучення.
7 Виробничі випробування підтвердили ефективність конструкції МХ апарату
безперервної дії за виходом готового продукту – до 50 % сухих речовин в екстракті
на виході і за використанням сировини – залишкова концентрація в твердій фазі на
виході 0,65 %.
Програмний пакет для оптимізації екстракторів впроваджено на
підприємствах «Енні Фудз» та «ГАЛКА ЛТД», акти дегустації кавового концентрату
отриманого на МХ апараті безперервної дії підтверджують його високі смакові та
ароматичні властивості і якість.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Порембський А. Тенденції ринку кави//URL: http:
//www.pricereview.com.ua/window/ReviewView.html?idReview=21 (дата звернення:
15.08.2024).
2. Ринок кави в Україні зріс за перше півріччя на 8,9% // URL: http: //news
.finance.ua/ua/news/-/383010/rynok-kavy-v-ukrayini-zris-za-pershe-pivrichchya-na-8-9
(дата звернення: 07.09.2024).
3. Зав’ялов В.Л., Малежик І.Ф. Дослідження зовнішнього масообміну в умовах
віброекстрагування із рослинної сировини // Наукові праці ОНАХТ.
4. Зав’ялов В.Л. Енергетичні показники процесу безперервного
віброекстрагування / Зав’ялов В.Л. та ін.// Наукові праці НУХТ, 2014. №54. с. 8 – 16.
5. Дячок В.В., Запоржець Ю.В., Гуглич С.І. Розроблення екологічно безпечної
технології одержання фізіологічно активних сполук метолом екстрагування
рослинної сировини // Наукові праці ОНАХТ, 2016. 108. Вип. 41, том 1. с. 95 – 98.
6. Спосіб інтенсифікації процесу екстрагування хонсуриду із застосуванням
поверхнево-активних речовин / Білонога Ю.Л. ті ін. // Науковий вісник ЛНУВМ та
БТ імені С.З. Гжицького, 2008. Т.10. №2 (37). с.14 – 18.
7. Терзиев С.Г., Левтринская Ю.О. Бизнес-перспективы внедрения
инновационных проектов в технологию растворимого кофе // Матеріали науково-
практичної конференції “Енергія. Бізнес. Комфорт.”, 1 грудня 2016. с. 19.
8. Зав’ялов В.Л. Дослідження протитечійного розділення фаз при твердо
фазовому віброекстрагуванні / Зав'ялов В.Л. та ін. // Матеріали II Міжнародної
спеціалізованої науково-практичної конференції “Ресурсо- та енергоощадні
технології виробництва і пакування харчової продукції – основні засади її
конкурентоздатності» (11 вересня 2013 р.). Київ, 2013. с. 68 – 70.
9. Процеси і апарати харчових виробництв: підруч. для вузів / І.Ф. Малежик та
ін.
10. Zhou T., Xiao X., Li G. Hybrid Field-Assisted Solid_Liquid_Solid Dispersive
Extraction for the Determination of Organochlorine Pesticides in Tobacco with Gas
Chromatography // Anal. Chem., 2012. Vol. 84. P. 420-427
ДОДАТОК А
ЕКСТРАГУВАННЯ ЗА УМОВ РОЗРІДЖЕННЯ
Активне збурення граничного шару, або перемішування, – один зі способів
інтенсифікації процесу екстрагування. За рахунок створення розрідження в ємності
для екстрагування можливо не лише здійснювати процес при більш ниьких
температурах, а також ініціювати процес низькотемпературного кипіння.
На кафедрі процесів, обладнання та енергетичного менеджменту було
створено установку для екстрагування під дією мікрохвильового поля за умов
розрідження в екстракційній ємності, яке створюється за рахунок вакуумного насоса
(N = 750 Вт). Охолодження пари в конденсаторі забезпечує компресор (NK = 240 Вт),
в установці використовується магнетрон (Nw = 980 Вт) об'ємом 3 літри.
Рисунок А.1 – Схема установки для екстрагування
при розрідженні та її вигляд
За умов розрідження процес екстрагування здійснювався при температурах 25
– 50 °С і супроводжувався інтенсивним кипінням, що спряло бурхливому
перемішуванню системи тверде тіло-екстрагент, постійно оновлюючи граничний
шар. При використанні гідромодуля 1:4 вдалося вилучити 32 % сухих речовин з
зерна кави масою 260 г за 2 етапи.
Екстрагування за умов розрідження 20 КПа відбувалось при температурах 25
– 40 °С, концентрація сухих речовин у екстракті становила 3 – 4 % с.р. При
збільшенні тиску до 70 КПа температура підвищилася до 75 – 80 °С, концентрація
екстрактивних речовин у екстракті 7 – 8 %.
а) 20 КПа; б) 70 КПа
Рисунок А.2 – Температура у екстрагувальній ємності
Рисунок А.3 – Епюри температур при екстрагуванні за умов розрідження
Цікавість викликає ефекти низькотемпературного кипіння, що спонукає
активне перемішування шару часточок меленої кави, яке при поєднанні з ефектом
механодифузії дозволяє отримати екстракт кави за цілковито інакших умов.
Проблему становить потреба підтримування постійного тиску. Недоліком
установки також є періодичність процесу, що ускладнює роботу з апаратом та
автоматизацію процесу.
Враховуючи особливості процесу екстрагування в установці, її використання
може бути доцільним при екстрагуванні:
-.з сировини, що має великий вміст ароматичних речовин (кава, спеції та
ароматні трави);
- термолабільної сировини багатої вітамінами, натуральними пігментами;
- для потреб фармацевтики або наукових досліджень
ДОДАТОК Б
ШЛЯХИ ПІДВИЩЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ КАВОВОГО ЕКСТРАКТУ
При виробництві розчинної кави наступним етапом після екстрагування є
сушіння екстракту. На цьому етапі виникають проблеми втрати аромату продукту,
втрати пилу продукту та високих енерговитрат. Альтернативою порошку або
гранулам розчинної кави може стати рідкий концентрат кави. Рідкий концентрат
поєднує актуальні споживчі властивості розчинної кави, такі, як зручність та
швидкість використання та невеликий об'єм зі смаком та якістю аналогічним
натуральній свіжозвареній каві. Рідкий концентрат екстракту кави також має власні
переваги: може бути розчиненим у холодній воді; простіше ніж порошок
розподіляється у об’ємі (актуально для застосування у кондитерській
промисловості); може зручно дозуватися; можливо поєднання з медом, коньяком,
лікерами, тощо.
Для підвищення концентрації екстрактів застосовують методи: випарювання;
вакуумного випарювання; зворотного осмосу; мембранного розділення;
кріоконцентрування. Кріоконцентрування, на відміну від випарювання, дозволяє
краще зберегти аромат продукту, що є дуже
важливим при виробництві кавових родуктів та
кавових концентратів. Експериментально
досліджено можливість концентрування
екстракту кави 7 – 8 % с.р. до концентрації
понад 30 % для зручності подальшої обробки та
зберігання. Для досліду було використано
екстракт з початковою концентрацією 7 – 6 brix.
Об’єм екстракту 15,08 л
Рисунок Б.1. – Багатофункціональний
блоковий виморожувач
Експеримент проводився на багатофункціональному блоковому
виморожувачі, який розроблено на кафедрі процесів, обладнання та енергетичного
менеджменту (рис. Б.1.).
Процес поділяється на 2 стадії: формування блоку льоду та сепарування
продукту та льоду. Експериментальні дані представлено у табл. Б.1.
Таблиця Б.1 – Результати дослідів з кріоконцентрування екстракту кави
наморожування сепарування
Час 9:35 10:35 11:45 12:45 13:45 14:35 15:22 9:30 11:00 11:30 12:10
Концентрація
7,6 8,1 8,8 13,2 16,8 29,7 32,1 27,8 24 22,8 19,2
(°brix)
Об'єм екстракту 15,0
9,86 7,83 3,19 0,87 0,2 0,25 0,3 0,2 0,2 0,1
(л) 8
Товщина льоду
– 16 28 35 39 – – – – – –
(мм)
Температура – 17 – 17 – 18 – 18 -18 – – – – – –
пластини (°С)
Температура
– –2,4 – 3,5 – 6 -7 – – – – – –
блоку (°С)
Досягнуто підвищення концентрації з 7,6 до 32 brix. Екстракти із вмістом
сухих речовин 30 % (brix) і вище можуть тривало зберігатися, не втрачаючи смак та
аромат.
Після того, як весь екстракт заморозили, блок льоду видаляється з апарату та
починається процес сепарування концентрату при кімнатній температурі. Кінетику
процесу показано на рис. Б.2.
Рисунок Б.2 – Сепарування концентрату екстракту кави
а) на початку сепарування; б) освітлення після 1 години;
в) освітлення після 2 годин сепарування
Рисунок Б.3 – Сформований блок льоду
Як видно з залежностей (рис.Б.2), при сепаруванні концентрація поступово
падає через танення води, що міститься у блоці льоду. Для підвищення ефективності
процесу та окупності технології можна рекомендувати паралельно з виробництвом
концентрату екстракту виробляти харчовий лід зі смаком кави, який можна
споживати як окремий продукт або лід для приготування освіжаючих напоїв.