«¬¤ ¤’ ”¤’ ¬ ”  XXI ¬  Интернет-форум магистрантов ВУЗов России 26-27 января 2006 года Выпуск 4 Тамбов 2006 УДК 04 ББК Я43 Н 72 Ответственный за выпуск – к.х.н., доц., зав. отделом магистратуры и бакалавриата Корчагина ...»

Федеральное агентство по образованию

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Тамбовский государственный технический

университет

¬¤ »»

¤’ ”¤’

¬ ”  XXI ¬ 

Интернет-форум магистрантов ВУЗов России

26-27 января 2006 года

Выпуск 4

Тамбов

2006

УДК 04

ББК Я43

Н 72

Ответственный за выпуск – к.х.н., доц., зав. отделом магистратуры и бакалавриата Корчагина О. А.

Новые идеи молодых ученых в науке XXI века. Интернетфорум магистрантов ВУЗов России. Сборник статей магистрантов.

Выпуск IV. – Тамбов: ТОГУП «Тамбовполиграфиздат», 2006. – 204 с.

ISBN 5-94359-027- В сборник включены научные статьи студентов-магистрантов Тамбовского государственного технического университета.

Предназначен для преподавателей, аспирантов и студентов с целью использования в научной работе и учебной деятельности.

УДК ББК Я ISBN 5-94359-027- © Тамбовский государственный технический университет, Направление

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

И ОБОРУДОВАНИЕ

Магистерская программа 150400. Приводы и системы управления технологическими машинами и оборудованием Руководитель программы д.т.н., проф. Ванин В. А.

Борисов И. П.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МУФТЫ

И МЕТОДИКА ИХ РАСЧЕТА

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Фидарова В. Х.

ТГТУ, Кафедра «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты»

Электромагнитная порошковая муфта представляет собой разновидность фрикционной, синхронной и асинхронной электромагнитных муфт, но в отличие от них заполняется смесью электромагнитного порошка со смазывающим веществом, причем основной составляющей является карбонильное железо. Порошковые муфты сочетают в себе положительные свойства всех перечисленных муфт, позволяют осуществлять или жесткое соединение валов, или скольжение между полумуфтами, обеспечивая как синхронное вращение, так и возможность регулирования скорости.

Использованием порошковых муфт можно решать ряд практических задач: создать быстродействующий электропривод без специальных пускорегулирующих средств; тормозные устройства с переменным тормозным моментом; предохранительные устройства, исключающие поломки механизмов; регуляторы вращающего момента и скорости движения механизмов; плавный пуск, разгон и реверсирование механизмов.

Материалы муфт определяют их электромагнитные, механические и тепловые свойства. Магнитопроводы изготавливают обычно из магнитомягких материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью, низкой коэрцитивной силой и малыми удельными потерями, таких как:

электротехническая сталь с содержанием углерода 0,02%-0,025%, пермаллой, пермендюр, прокатная сталь марки 10, чугунные отливки (для муфт устанавливаемых на мене ответственных механизмах) и др.

Немагнитные детали (крышки, валы, подшипники, крепежные детали и т.д.) с целью уменьшения магнитного рассеяния изготавливают из немагнитных или маломагнитных материалов: хромистая, хромоникелевая, хромомарганцевая сталь, латунь, дуралюмин, немагнитный чугун и д.р. В качестве обмотки применяют провода обмоточные провода марок ПДА, ПЭЛБО, ПСД, ПЭЛ, ПЭВ-1 и ПЭВ-2. Наполнитель порошковых муфт представляет собой смесь ферромагнитного порошка со смазывающим веществом. В качестве ферромагнитного порошка обычно применяют порошкообразное карбонильное железо марок Р-4, Р-8, П-4. Смазывающие вещества могут быть как сухие (тальк, графит), так и жидкие (минеральные и различные синтетические масла). Принцип действия основан на использовании электромагнитных и механических сил, действующих в заполненном, ферромагнитным наполнителем зазоре.

Если через слой ферромагнитного порошка пропустить магнитный поток, то вследствие трения друг о друга намагниченных частиц порошка возникает сопротивление сдвигу, которое тем сильнее, чем намагничен порошок. Частицы порошка начинают перемещаться, наиболее интенсивно - в середине слоя, а по направлению к поверхностям интенсивность снижается. Магнитный поток, создаваемый током обмотки, проходит по внутренней полумуфте, через слой порошка, по наружной полумуфте и снова через слой и внутреннюю полумуфту, образуя замкнутую цепь, показанную на Рис.1 пунктиром.

Рис. 1. Схема электромагнитной порошковой муфты:

1- ведущий элемент; 2- ведомый элемент; 3-обмотка; 4- контактные кольца;

5- ведомый вал; 6,8- крышки; 7- наполнитель; 9- ведущий вал При отсутствии тока в обмотке величина вращающего момента определяется силами трения в рабочем слое муфты и остаточным магнитным потоком. При появлении тока в слое возникают магнитные силы сцепления, увеличивающие вязкость порошка. Таким образом, воздействуя электромагнитным полем на слой порошка, можно соединить ведомую и ведущую части муфты либо жестко, либо с проскальзыванием до полного расцепления.

Основные параметры порошковой муфты и её обмотки возбуждения определяются назначением и режимом работы. Вначале определяется средний диаметр D слоя муфты, из уравнения момента при режиме максимальной установившейся нагрузки:

где - удельная сила сцепления в слое в кг /см ;

D – средний диаметр рабочих слоев в см;

K b - отношение ширины слоя b к среднему диаметру:

m -число слоев муфты K M - коэффициент, зависящий от материала наполнителя;

K C - коэффициент, учитывающий скорость движения частиц в слое;

K З - коэффициент, учитывающий влияние числа рабочих зазоров на плотность наполнителя;

K n, n - величины, зависящие от плотности наполнителя и толщины слоя BСл - среднее значение индукции.

терь в муфте) и чем больше n. Значения исходя из конструктивной схемы муфты. Толщина рабочего слоя муфт средней мощности обычно ограничена интервалом =0,53 мм. Число слоев m принимают в соответствии с выбранной схемой муфты.

Наружный диаметр принимают в пределах Индукция BСл рассчитывается по уравнению (3), а намагничивающая сила, необходимая для её создания определяется формулой - коэффициент, зависящий от индукции и размеров слоя.

Диаметр обмоточного провода определяется из условия необходимости намагничивающей силы:

где D 0 - средний диаметр обмотки в м;

- удельное сопротивление провода в Ом·мм 2 /м;

U- напряжение, подводимое к обмотке, в.

Площадь сечения паза под обмотку определяется по формуле k зап - коэффициент заполнения сечения медью, принимаемый равный где 0, 6-0, 7;

N Y -удельная мощность омических потерь (на один ампер-виток):

где N -мощность омических потерь в обмотке во Вт.

Выбрав марку провода по рассчитанному d, принимают диаметр провода с учетом изоляции d и, размеры паза b h для обмотки и b0 h0 с учетом изоляции. Тогда число слоев в обмотке, число витков в слое, число витков в обмотке будут соответственно:

(9) Необходимым является расчет магнитной цепи и тепловой расчет муфты. Расчет магнитной цепи начинается с разделения магнитной цепи муфты на отдельные участки, для каждого из которых определяются площадь поверхности, через которую проходит магнитный поток, индукция, длина участка, магнитодвижущая сила и напряженность. Тепловой расчет сводится к определению температуры нагрева муфты и её аккумулирующей способности.

1. Хабенский М.Я. «Электромагнитные порошковые муфты».

ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ

НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ

СО СЛЕДЯЩИМИ ПРИВОДАМИ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Фидарова В. Х.

Следящие приводы применяются в металлорежущих станках при копировальной обработке и реагирует на расхождение положений копирующего органа и инструмента, стараясь устранить это расхождение. Таком образом в самом принципе следящего управления процессом копирования заложены неизбежные искажения поверхности обрабатываемого изделия. Эти искажения могут быть уменьшены путем надлежащего выбора системы управления, но полностью устранить их невозможно.

Искажение обработанной поверхности определяются статическими, кинематическими и динамическими погрешностями (ошибками) следящей системы. Статическими погрешностями мы будем называть расхождения положений копирующего органа и инструмента в неподвижном состоянии при выключенной задающей подаче. Кинематические погрешности характеризуют расхождения копирующего органа и инструмента при установившихся значениях скоростей задающей и следящей подач. Наконец, динамические погрешности возникают в переходных режимах при изменении скоростей подачи. Погрешности следящей системы определяются структурой выбранной схемы и значениями ее параметров. Первоначально рассмотрим искажения, возникающие под влиянием статических и кинематических погрешностей.

При применении копировального прибора контактного типа траектория движения инструмента, представленная на рис.1, имеет ступенчатый характер.

Величина отдельных ступеней зависит от формы профиля копира в данном месте, а также от скорости подачи и от величины инерции следящей системы.

Рассмотрим первоначально процесс движения по наклонной плоскости, схематически показанный на рис. 1, а. Движение по линии, наклонной к оси X, может происходить только при попеременном включении обеих подач. Пусть в исходный момент система занимает положение 0, представленное на рис. 1, а и включена подача вниз.

В точке 1 копировальный палец, идущий впереди инструмента, касается поверхности копира, разрывает свой контакт и подача по оси Y затормаживается. При этом считаем, что выбег системы при торможении S t < n — перемещение копировального пальца, необходимое для переключения контактов и, следовательно, процесс соприкосновения протекает апериодически.

Рис. 1. Траектория инструмента при движении по наклонной плоскости:

Спустя время tr после соприкосновения начинается разгон системы вдоль оси X. В точке 2 контакт вновь замкнется.

Вследствие этого затормаживается подача вдоль оси X и восстанавливается подача вниз по оси Y. Траектория движения центра фрезы представляет собой ступенчатую линию с закругленными углами. Величина горизонтальной ступеньки вертикальной а также расстояние между впадинами на поверхности совершенно не зависят от величины контактных зазоров копировального прибора и полностью определяются величиной инерционных выбегов системы. Расстояние между ступеньками не превышает при точных работах на малой скорости 0,5—1 мм, а минимальный радиус фрезы обычно не меньше 5 мм, то при движении фрезы эти ступеньки будут почти полностью срезаться.

На поверхности изделия останутся только незначительные гребешки, величина которых H:

где R — радиус закругления фрезы.

Максимальные отклонения контура изделия от контура копира в точках 3 и 4:

Процесс движения вверх по прямой, наклоненной к оси X (риc.1, б) отличается от предыдущего тем, что движение происходит благодаря попеременному включению подач вверх и влево.

Величины ступенек сохраняют в этом случае прежнее значение, но максимальная ошибка значительно увеличивается.

Движение по вогнутой поверхности (рис.2, а) так же, как и движение по любой другой криволинейной поверхности, характеризуется непрерывным изменением величины вертикальных и горизонтальных ступенек.

при различном направлении задающей подачи:

а – постоянное направление; б – переменное направление.

Левая часть кривой обходится благодаря чередованию подачи вниз и подачи вправо. Обход правой части кривой производится путем сочетания подачи вверх и подачи вправо, сопровождающегося размыканием и замыканием другого контакта. В нижней части кривой при переходе одного контакта к другому образуется горизонтальная площадка а —b, размеры которой зависят от расстояния между контактами. Кроме этого, по этой же причине контур поверхности изделия смещается на величину по направлению горизонтальной подачи относительно контура модели. Результирующие отклонения полученного изделия от копира при обоих направлениях обхода представлены на рис. 2, б.

Так как обработка поверхности изделий производится „построчно” с переменой направления задающей подачи при переходе с одной строчки на другую, то результирующий контур изделия охватывает все заштрихованные участки на рис.2, б и, следовательно, будет значительно полнее контура копира. Для компенсации получающихся при этом ошибок радиус копировального пальца должен быть на величину S max больше радиуса фрезы. Количественное значение S max зависит от скорости подачи и состояния станка. Для скорости подачи менее м/мин хорошо отрегулированного станка AS max < 1 мм.

При управлении бесконтактными копировальными приборами они должны реагировать на незначительное расхождение в положении копировального пальца и рабочего инструмента. Их применение уменьшает искажения, вызванные наличием контактного зазора.

Траектории фрезы при различных направлениях задающей подачи представлены для этого случая на рис. 3.

Рис. 3. Траектория инструмента при управлении бесконтактным 1- контур копира; 2- траектория инструмента при задающей подаче вправо;

3- траектория инструмента при задающей подаче влево 1. Соколов Т.Н. Дружинский И.А., Автоматическое управление процессами копирования, Машгиз.

2. Лещенко В.А. Гидравлические следящие приводы для автоматизации станков, Машгиз.

КОПИРОВАЛЬНЫЕ ПРИВОДЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

В МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Лучкина В. К.

Наибольшее распространение среди приводов копировальных станков получили электроприводы и гидроприводы.

Широкое использование гидроприводов в станкостроении определяется рядом их существенных преимуществ перед другими типами приводов и прежде всего возможностью получения больших усилий и мощностей при ограниченных размерах гидродвигателсй. Гидроприводы обеспечивают широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости (при условии хорошей плавности движения), возможность работы в динамических режимах с требуемым качеством переходных процессов, защиту системы от перегрузки и точный контроль действующих усилий.

С помощью гидроцилиндров удается получить прямолинейное движение без кинематических преобразований, а также обеспечить определенное соотношение скоростей прямого и обратного ходов. Гидроприводы имеют и недостатки, которые ограничивают их использование в станкостроении. Это потери на трение и утечки, снижающие коэффициент полезного действия гидропривода и вызывающие разогрев рабочей жидкости. Необходимость применения фильтров тонкой очистки для обеспечения надежности гидроприводов усложняет техническое обслуживание [3].

Электрический привод обеспечивает удобство регулирования скорости в широком диапазоне с высокой точностью и быстродействием.

Электродвигатели постоянного и переменного тока, выпускаемые промышленностью, имеют широкий ряд мощностей, моментов и скоростей.

Электроприводы технологичны в изготовлении, достаточно просты и надежны в эксплуатации, но требуют сложной системы управления [2].

При больших величинах крутящего момента и больших тяговых силах рекомендуется применять гидропривод. Стоимость проекти- рования, изготовления, монтажа и эксплуатации этого привода значительно ниже, чем электрического той же мощности; первоначальная стоимость гидроагрегата в 2,5—3 раза меньше.

Быстродействие системы и ее динамическая характеристика практически оцениваются отношением наибольшего крутящего момента Мmax (или наибольшей тяговой силы Р) к моменту инерции J ротора, т. е. велиM max чиной =. В электротехнике, как известно, существует предел этого отношения, ограниченный величиной крутящего момента на единицу веса железа якоря электродвигателя. С увеличением мощности отношение падает. Наибольший крутящий момент, развиваемый гидроагрегатом, ограничивается только прочностью деталей, следовательно, выбором материала.

Динамическую характеристику проектируемого гидравлического привода и его быстродействие можно улучшить уменьшением движущихся масс. Современные гидравлические приводы могут иметь весовую характеристику примерно 5,5—8 Н/кВт, что пока еще недостижимо для электрического привода. Недостаток гидравлических следящих систем — склонность к вибрациям при больших величинах подачи.

Габаритные размеры электрооборудования и электроаппаратуры определяются температурным режимом и плотностью магнитного потока;

для высококачественной электротехнической стали и сплава пермендюр она не превышает 0,20—0,25 Тл, что соответствует удельной силе момента примерно 20105 Н/м2 и конструктор здесь ограничен в отношении выбора материала. При проектировании же гидроустройств конструктор может выбирать материал значительно свободнее.

Практика эксплуатации гидросистем машин вообще и станков, в частности, показывает, что наибольшая протяженность трассы давления (напорной трассы) обычно не превышает 40—50 м. Напротив, протяженность электротрассы ничем не ограничена.

В части достижения точности срабатывания возможности электро- и гидроаппаратов примерно одинаковы. В отличие от электрических копировальных следящих систем гидравлические следящие системы не требуют усилителей мощности сигналов и вследствие меньшей инерционности обладают большим быстродействием. Гидропривод позволяет регулировать скорости и давления бесступенчато по любому заданному закону, притом более простыми средствами, чем при применении электрических или электронных устройств. Точность перемещения под нагрузкой, в гидрокопировальных станках, составляет в среднем 0,01 мм.

Наладка гидросистемы после монтажа производится только по одному параметру — давлению, тогда как системы электрические, а тем более электронные требуют наладки по нескольким параметрам. Поэтому отыскать дефекты сборки и монтажа гидросистемы значительно легче[1].

Критический анализ преимуществ и недостатков приводов различного типа применительно к конкретным условиям того или иного станка позволяет обоснованно выбрать оптимальное техническое решение. Опыт показывает, что наиболее эффективно применение гидропривода в металлорежущих станках с возвратно-поступательным движением рабочего органа, копировальными и следящими системами;

в высокоавтоматизированных многоцелевых станках типа «обрабатывающий центр», агрегатных станках и автоматических линиях.

В приводах подачи электроэрозионных станков предъявляются наивысшие требования к чувствительности и быстродействию следящей системы. Необходимость стабильного удержания электрода в рабочей зоне, которая в ряде случаев не превышает 0,01 мм, его плавного перемещения со средней скоростью до нескольких сотых долей миллиметра в минуту и практически мгновенной реакции привода на возникновение короткого замыкания требуют применения специальных электрогидравлических следящих приводов [4].

В связи с повышением требований к точности работы механизмов, машин и приборов возрастают требования к точности обработки их деталей, точности линейных перемещений узлов станка, равной нескольким микрометрам. С увеличением точности обработки ужесточаются требования к дискретности и быстродействию приводов.

Развитие сверхпрецизионного станкостроения выдвинуло новые требования к приводам подач. Они должны обеспечивать широкий диапазон подач, а также точность позиционирования в долях микрометров.

При использовании электромеханических приводов эти требования удовлетворяются лишь частично (что обусловлено недостатками механизмов преобразования вращательного движения в поступательное).

В связи со сказанным для сверхпрецизионных станков целесообразно использовать современные гидроприводы обеспечивающие поступательное движение. Это обусловлено тем, что направляющие таких станков, как правило, гидростатические; поршень и шток имеют гидростатические направления. Кроме того, следящие приводы в этих станках не имеют жестких механических обратных связей, а сигналы от датчиков обратных связей поступают на электрогидравлический усилитель или шаговые преобразователи, обеспечивающие распределение жидкости по полостям цилиндра.

Основными показателями качества обработки являются точность и шероховатость обработанных деталей. Погрешности формы и взаимного расположения поверхностей обрабатываемых деталей возникают в процессе обработки из-за следующих причин: неточности и деформации станка, инструмента и приспособления; деформации обрабатываемого изделия; неравномерности припуска на обработку; неоднородности материала заготовки; недостаточной жесткости и невысокого быстродействия приводов главного движения и подач. Различные отклонения профиля продольного сечения значительной степени зависят от равномерности движения приводов. Наиболее существенной причиной неравномерного движения привода является его недостаточная динамическая жесткость (невысокое быстродействие при возмущающем воздействии). Неравномерное движение приводов так же отрицательно сказывается и на шероховатости обработанной поверхности [2].

Так как следящая система реагирует на расхождение положений копирующего органа и инструмента, то в самом принципе следящего управления процессом копирования заложены неизбежные искажения поверхности обрабатываемого изделия. Эти искажения могут быть уменьшены путем надлежащего выбора системы управления, но полностью устранить их достаточно сложно.

Искажение обработанной поверхности определяются статическими, кинетическими и динамическими погрешностями (ошибками) следящей системы. Статические погрешности - расхождение положений копирующего органа и инструмента в неподвижном состоянии при выключенной задающей подаче. Кинетические погрешности характеризуют расхождения копирующего органа и инструмента при установившихся значениях скоростей задающей и следящей подач. Наконец, динамические погрешности возникают в переходных режимах при изменении скоростей подачи. Погрешности следящей системы определяются структурой выбранной схемы и значениями ее параметров[5].

1. Ачеркан Н. С. Металлорежущие станки. М.: Машиностроение,1965. 757 с.

2. Лебедев А. М. и др. Следящие электроприводы станков с ЧПУ.

М.: Энергоатомиздат, 1988. 223 с.

3. Лещенко В. А. Гидравлический следящий привод. М.: Машиностро- ение, 1968. 555 с.

4. Свешников В. К., Усов А. А. Станочные гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982. 460 с.

5. Соколов Т. Н., Дружинский И. А. Автоматическое управление процессами копирования на металлорежущих станках. Машгиз.: 1954.

326 с.

Руководитель программы д.т.н., проф. Малыгин Е. Н.

СИСТЕМА ВЫБОРА КОНСТРУКЦИИ

МЕХАНИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

ВЕРТИКАЛЬНОГО ЕМКОСТНОГО АППАРАТА

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Карпушкина С. В.

ТГТУ, Кафедра «Автоматизированное проектирование В работе [3] нами представлена математическая постановка задачи выбора параметров механического перемешивающего устройства (МПУ) вертикального емкостного аппарата. К числу параметров МПУ отнесены тип мешалки, расчетной характеристикой которого является коэффициент ее гидравлического сопротивления (), их число на валу МПУ (zм), диаметр мешалок (dм) и частота вращения вала привода (n). Необходимо выбрать стандартные значения параметров, обеспечивающие приемлемую гидродинамическую обстановку в аппарате и требуемое качество перемешивания при минимальных приведенных затратах на МПУ: амортизации стоимости мешалок и мотор-редуктора, а также стоимости электроэнергии, потребленной МПУ в течение года.

Гидродинамическая обстановка в аппарате характеризуется ограничением на значение отношения диаметров аппарата и мешалки GD = D/dм:

GD* GD GD*, где GD*, GD* – граничные значения GD для мешалки выбранного типа, – ограничением на глубину воронки, образующейся при перемешивании, и уравнением равенства моментов сил, приложенных к перемешиваемой среде, см. [1,2]. Параметры качества перемешивания и вид ограничений на их изменения определяются типом перемешиваемой среды и целью перемешивания. Например, качество перемешивания взаимнорастворимых жидкостей характеризуется временем достижения заданной степени неоднородности среды (временем гомогенизации) г = г(, zм, dм, n, ), которое ограничено заданной степеню неоднородности распределения концентрации указанного вещества или температуры () и регламентной длительностью процесса: г зад.

Алгоритм решения задачи предусматривает перебор возможных комбинаций параметров МПУ и проверку выполнения ограничений для каждой комбинации. При положительном результате проверки осуществляется подбор наиболее пригодного серийно выпускаемого моторредуктора. Оптимальная конструкция МПУ определяется по минимуму приведенных затрат.

Система автоматизированного выбора конструкции МПУ, реализующая предложенный алгоритм, разработана система в среде Visual Basic. Структура системы представлена на рисунке 1.

Управляющий модуль системы реализует следующие функции:

- проверку корректности исходных данных и указание на ошибки;

- выбор методики расчета затрат мощности на перемешивание с учетом значения суммарного гидравлического сопротивления внутренних устройств;

- выбор методики расчета параметров качества перемешивания конкретной среды;

- проверку выполнения ограничений для различных видов перемешиваемых сред;

- управление взаимодействием расчетного блока с информационным блоком и базой данных;

- обеспечение передачи данных в блок создания итогового отчета и его вывод на экран.

Исходные данные Модуль «Исходные данные» обеспечивает ввод информации об аппарате, перемешиваемой среде и требуемых условиях реализации процесса, а также, при необходимости, модификацию исходных данных:

диаметр и высота заполнения аппарата средой, физические свойства и параметры перемешиваемых сред (состав, плотность, динамическая или кинематическая вязкость компонентов и т.п.), типы и геометрические размеры установленных в аппарате внутренних устройств (трубы, отражательные перегородки, змеевик и т.д.), требуемые значения параметров качества перемешивания, время работы МПУ за год.

Модуль «Расчетный блок» осуществляет:

- расчет суммарного гидравлического сопротивления внутренних устройств;

- расчет глубины центральной воронки;

- расчет мощности, затрачиваемой на перемешивание;

- расчет распределения концентрации компонентов перемешиваемой среды;

- перебор стандартных значений параметров МПУ, которые не зафиксированы пользователем;

- взаимодействие с базой данных посредством SQL-запросов;

- расчет значения критерия эффективности для конкретной конструкции МПУ.

Модуль «Информационный блок» обеспечивает пользователя и расчетный блок информацией справочного характера:

- порядок определения гидравлического сопротивления наиболее часто встречающихся внутренних устройств;

- значения необходимых для расчетов характеристик наиболее распространенных мешалок;

- формулы для расчета необходимых физических свойств веществ для случаев перемешивания мало- и высококонцентрированных суспензий, несмешиваемых жидкостей, газожидкостных систем.

Модуль «Отчет» формирует текстовый файл с подробным протоколом работы системы, который включает:

- исходные данные (как введенные пользователем, так и полученные в результате работы информационного блока);

- результаты расчета глубины воронки и мощности перемешивания;

- результаты расчета распределения концентраций компонентов перемешиваемых сред;

- допустимые конструкции МПУ, способные обеспечить требуемое качество перемешивания;

- подходящие для этих конструкций мотор-редукторы (с точки зрения обеспечения частоты вращения выходного вала, крутящего момента, приложенного к жидкости при вращении лопастей мешалки, и мощности электродвигателя);

- конструкцию привода и тип мотор-редуктора, обеспечивающие минимум критерия эффективности.

База данных системы содержит значения характеристик серийно выпускаемых мотор-редукторов и приводов (МРВ-02, МРВ-04, МПО-1, МПО-2, МР-1, МР-2, МР-3, ПЭМ, ПЭМ 1А, ПЭМ 2). Для каждого из них в базе содержится следующая информация:

- типоразмер устройства, - частота вращения выходного вала (в 1/мин), - момент на выходном валу (Н·м), - типоразмер электродвигателя, - мощность электродвигателя (КВт), - масса устройства с электродвигателем (кг), - стоимость устройства (руб. в ценах 2000 г.).

Система протестирована на примерах аппаратов производств синтетических красителей и полупродуктов Тамбовского ОАО «Пигмент» и принята к эксплуатации в проектно-конструкторском отделе этого предприятия. При выборе с ее помощью конструкции МПУ для аппарата с размерами D = 2 м, H = 3.5 м, в котором осуществляется процесс репульпации пасты пигмента голубого фталоцианинового перед подачей ее на фильтрацию (концентрация твердой фазы Xср = 0.05, средний размер ее частиц dср = 0.000008 м, необходимые значения параметров качества перемешивания – ХRз= 0.85, Xз = 0.05) получены следующие результаты:

1) допустимые варианты конструкции МПУ найдены только для рамной мешалки: = 1.28, zм = 1, dм = 1.6-1.8 м, n = 31.5-80 1/мин.

2) согласно критерию эффективности, абсолютно лучшей является конструкция МПУ с мешалкой диаметром 1.8 м при частоте ее вращения 31.5 1/мин;

3) затраты мощности на перемешивание составят 2.66 КВт, крутящий момент 812 Н·м;

4) сумма амортизации затрат на мешалки и годовой стоимости потребляемой электроэнергии составит 51.57 тыс. руб. (в ценах 2000 г.).

5) привод МПУ рассматриваемого аппарата рекомендовано укомплектовать мотор-редуктором МПО-2М-15-46,9-5,5/31.

1. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в жидких средах. – Л.: Химия, 1984. – 336 с.

2. Руководящий нормативный документ. Механические перемешивающие устройства. Метод расчета. РД 26-01-90-85. – Л.: РТП ЛенНИИхиммаша, 1985. – 257 с.

3. Павлова Е.В., Карпушкин С.В. Задача выбора оптимальных параметров механического перемешивающего устройства // Сборник статей магистрантов. Вып. 1. Часть 1. – Тамбов: ТОГУП «Тамбовполигафиздат», 2005. – С. 55-59.

Туголуков Е. Н., Егоров С. Я., Подойницын С. А.

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА РАСЧЕТА ПАРОПРОВОДОВ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Егорова С. Я.

Одним из этапов проектирования новых и модернизации существующих производств химической промышленности является проектирование паропроводных систем.

Оптимальное построение паровой сети является сложной и многоплановой задачей, так как при этом должны рационально организовываться и увязываться многочисленные потоки от источников к потребителям, характеристики и графики выхода и потребления которых диктуются технологическими процессами и, как правило, не могут быть изменены. Практически на всех предприятиях химической промышленности есть потребители греющего пара, для которых перерывы в подаче пара или резкое уменьшение его подачи, а также снижение давления недопустимы. Снижение давления греющего пара или его температуры у потребителей приводит к нарушению технологических режимов и как следствие может резко снизить производительность установки или полностью остановить процесс.

Так как возможно множество вариантов проектных решений, то возникает задача нахождения оптимального варианта, при котором достигался бы минимум одного или нескольких критериев оптимальности и выполнялись все ограничения. В качестве критерия оптимальности, как правило, выступают приведенные экономические затраты. Основными составляющими экономических затрат на эксплуатацию паропроводной сети являются тепловые потери. На практике при проектировании и реконструкции паропроводов используют упрощенные методики тепловых расчетов, основанные на эмпирических зависимостях, которые не ориентированны на полномасштабное использование средств современной компьютерной техники. В практике большинства промышленных предприятий ремонт тепловой изоляции действующего оборудования и трубопроводов чаще всего осуществляется в соответствии со старыми проектами, в которые заложены устаревшие нормативные требования по тепловой изоляции. Опыт обследования промышленной теплоизоляции в натурных условиях, накопленный институтом Теплопроект, указывает на высокие сверхнормативные потери тепла в промышленности, обусловленные как неудовлетворительным техническим состоянием теплоизоляционных конструкций оборудования и трубопроводов, так и возросшими в последние годы требованиями к теплотехнической эффективности теплоизоляции.

Отличительной особенностью разрабатываемой системы расчета паропроводов является применение для тепловых расчетов методики расчета полей определяющих параметров на основе аналитических решений систем линейных дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими условиями однозначности [1]. Согласно этой методике тепловой расчет участка паропровода можно представить в виде двух задач, решаемых совместно:

1. расчет температурного поля многослойного цилиндра, 2. распределение тепла по каналу.

Температурное поле многослойного полого цилиндра Рассмотрим стационарный случай, когда температура меняется по координате.

Общий вид уравнения теплопроводности:

d 2ti ri 1 dti ri Граничные условия:

i - коэффициент теплоотдачи, i - коэффициент теплопроводности.

Решение стационарной задачи (1)-(4)имеет вид:

коэффициенты Ai и Bi находятся из граничных условий:

Рассмотрим стационарный случай, когда температура меняется по координате.

T (x) - температурное поле пара, Tn (x) - температура внутренней стенки трубы.

Общий вид уравнения теплопроводности:

dT ( x ) = 2R0 - периметр трубы, G - массовый расход (кг/с), с – теплоемкость потока.

Начальные условия:

Решение стационарной задачи (10)-(13):

если рассматривать достаточно малый участок трубопровода, то можно принять: Tn ( x) = Tn = const, тогда решение задачи (10)-(13) будет иметь вид:

Решая совместно задачи (1)-(4) и (10)-(13), учитывая при этом падение давления на гидравлических сопротивлениях и теплопотери на опорах, мы можем найти температуру и давление пара в любой точке участка трубопровода, а также значения температуры и величину теплового потока на поверхности теплоизоляции.

Использование данного подхода в системе автоматизированного проектирования компоновки оборудования ХТС [2], разрабатываемой на кафедре АПТО ТГТУ позволит находить оптимальные проектные решения связанные с определением пространственного расположения теплотрасс, расчетом их конструктивных параметров и выбором изоляции.

1. Туголуков Е.Н. Математическое моделирование технологического оборудования многоассортиментных химических производств. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. 100с.

2. Егоров С.Я., Громов М.С., Майоров С.П. Система автоматизированного проектирования размещения оборудования и трассировки трубопроводов в производственных помещениях. – Труды ТГТУ, Тамбов, 2003. Вып 13. С. 223-227.

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАСЧЕТА

И ВЫБОРА УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

МАШИН И АППАРАТОВ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Карпушкина С. В.

ТГТУ, Кафедра «Автоматизированное проектирование Уплотнительные устройства применяют во всех отраслях техники, где возникает проблема герметизации. В числе других задач, возникающих при конструировании машины или аппарата, выделяется задача выбора наиболее подходящих уплотнительных устройств. Особую важность эта задача приобретает в химическом машиностроении, т.к. при выходе из строя уплотнений химико-технологического оборудования, работающего с агрессивными, токсичными, взрывопожароопасными веществами, может возникнуть опасность аварии и отравления персонала.

Задача выбора уплотнительного устройства для конкретного соединения конкретного аппарата поставлена в работе [1]. Алгоритм ее решения предусматривает перебор всех видов и типоразмеров стандартных устройств, подходящих для уплотнения рассматриваемого соединения, проверку выполнения ограничений для каждого из них и выбор лучшего по критерию оптимальности. Число стандартных устройств, которые могут оказаться подходящими для уплотнения соединения, не превосходит нескольких десятков, поэтому полный перебор не требует больших затрат времени.

В настоящее время разрабатывается система автоматизированного выбора и расчета уплотнительных устройств, реализующая алгоритм решения данной задачи в среде Visual Basic. Структурная схема информационной системы представлена на рис 1.

Рис. 1. Структурная схема информационной системы Программные модули разрабатываемой системы предназначены для реализации алгоритмов расчета уплотнений различных видов, выбора подходящих для рассматриваемого соединения и их оценки по критерию оптимальности, ввода исходных данных и вывода результатов расчетов, построения трехмерной модели устройства. Создана база данных (рис. 2) для уплотнительных устройств, где содержится информация об областях применения, основных размерах стандартных уплотнений и режимах их функционирования.

Рис. 2. Пример базы данных для одного из видов манжетного уплотнения Блок ввода исходных данных. Исходными данными для решения задачи служат:

- вид уплотняемого соединения (неподвижное разъемное – УН, возвратно-поступательного движения – УПС, вращательного движения – УВ);

- физико-химические параметры рабочей среды: давление рс, температура tc, динамическая вязкость µа при атмосферном давлении.

- экологические свойства среды – уровень токсичности, взрыво- пожароопасности, степень запыленности;

- геометрические параметры уплотняемого соединения (для УН – диаметр условного прохода Dу, для УПС – диаметр штока d или цилиндра D, для УВ – диаметр вала d);

- скорость перемещения деталей соединения (для УПС – линейная v для штока или поршня, для УВ – угловая для вала);

- требуемый класс негерметичности соединения, определяющий допускаемую удельную утечку рабочей среды через уплотнение Qдоп.).

Блок реализации алгоритмов расчета УУ. В данном блоке реализуются алгоритмы расчета уплотнительного устройства. В этот блок из базы данных посредством SQL запроса передаются данные (конструктивные и режимные параметры) для рассматриваемого вида уплотняемого соединения, необходимые для расчета удельной утечки рабочей среды в условиях, определяемых исходными данными, и производится расчет значения величины удельной утечки среды. Для анализа текущей рассматриваемой конструкции осуществлен итеративный обмен данными с блоком проверки и выбора подходящего УУ.

Блок проверки и выбора подходящего УУ для рассматриваемого соединения. В этом блоке для данного вида уплотняемого соединения осуществляется проверка рассматриваемой конструкции уплотнения на работоспособность, проверка выполнения ограничений и связей. При неудовлетворительных результатах проверки управление передается предыдущему блоку и рассматривается следующая конструкция уплотнения. При удовлетворительных результатах проверки управление передается в блок оценки.

Блок оценки подходящего УУ. В этом блоке осуществляется расчет критерия оптимальности для текущего уплотнения. В качестве критерия оптимальности Z используются приведенные затраты на уплотнительное устройство, которые складываются из амортизации стоимости устройства, затрат на обслуживание уплотнения и затрат энергии на его эксплуатацию, т.е.: Z=Z1+Z2(Tp)+Z3(N), где Тр – время работы уплотнения в течение года, которое определяется режимом и календарным планом работы конкретной машины и аппарата, N – затраты энергии на эксплуатацию уплотнения (на преодоление трения, на циркуляцию охлаждающей жидкости). После расчета критерия данные о подходящем уплотнении передаются в блок вывода результатов.

Блок вывода результатов расчетов. Блок формирует список подходящих конструкций уплотнений и соответствующих значений критерия оптимальности с указанием наиболее предпочтительной конструкции, которой отвечает минимальное значение критерия.

Блок построения модели выбранного УУ. Работа данного блока предполагает построение выбранной конструкции уплотнительного устройства в 3D виде путем передачи основных геометрических характеристик параметрической модели данного уплотнения.

1. Сорокин М.А., Карпушкин С.В. Автоматизированный расчет и выбор уплотнительных устройств машин и аппаратов // Сборник статей магистрантов по материалам научной конференции 15-17 февраля года. Выпуск 1, Часть 1. – Тамбов: ТОГУП «Тамбовполиграфиздат», 2005. – 144 с.

Руководитель программы д.т.н., проф. Дворецкий С. И.

Акифьева Ю. А., Желябовский С. В., Смолихин А.В.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ

УТИЛИЗАЦИИ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Работа выполнена под руководством д.т.н., доц. Иванова О. О.

В настоящей работе рассматриваются вопросы применения энергоресурсосберегающего потенциала основного отхода биотехнологического производства спирта – мелассной послеспиртовой барды (МПСБ) – как сырья для производства экономически значимой продукции. Такой подход является инновационным, поскольку традиционно ставится задача только утилизации МПСБ, без использования ее ценных веществ (моносахара и прочие углеводы) [1]. Современные методы утилизации жидких органических отходов бродильных производств можно условно разделить на несколько групп, в зависимости от способа воздействия (рис.1).

Физические Биотехнологические Рис. 1. Классификация методы утилизации жидких органических отходов В отдельную группу методов традиционно выделяются различные комбинации методов (обезвоживание с последующим компостированием, упаривание и консервировирование и др.) [4].

Основным недостатком практически всех применяемых на практике методов является, с одной стороны, их затратность, а с другой – необходимость утилизировать продукты, полученные в результате применения какого–либо метода.

Становится очевидным, что решение проблемы утилизации заключается в использовании комплексных химико–биотехнологические процессов переработки и утилизации МПСБ. Необходимость разработки таких процессов вызвана прежде всего соображениями охраны окружающей среды путем создания малоотходного (в идеале – безотходного) энерго– и ресурсосберегающего производства. Аналогичные процессы известны, однако их существенным недостатком является высокая концентрация органических веществ в стоках, достигающая 52000 мг О2/л по ХПК и 27000 мг О2/л по БПК5. Сточные воды с таких концентраций не могут быть направлены на очистные сооружения без предварительного разбавления [2].

Радикальным способом, позволяющим решить указанные проблемы, является совмещение химико–технологического процесса производства этанола с биохимическим процессом очистки стоков при использовании бактерий, например рода Pseudomanas, которые обеспечивают большую степень конверсии органических веществ данных стоков. Однако и этот способ не лишен недостатков. Основным из них можно считать высокие капитальные затраты на организацию совмещенного производства и, как следствие, необходимость поиска инвесторов, что в принципе неосуществимо в пределах Тамбовской области.

Таким образом, цель работы можно сформулировать так: требуется осуществить переработку послеспиртовой мелассной барды с получением целевых продуктов, пригодных для использования в промышленности и сельском хозяйстве и имеющих твердый потребительский спрос.

В связи с этим, сформулируем ограничения, накладываемые на проектируемые процессы переработки:

целевые продукты должны быть получены по возможности с применением веществ, используемых в спиртовом производстве и иметь невысокую себестоимость [3];

целевые продукты должны быть безвредными (безопасными) для человека, животных, почвы;

используемые при производстве целевых продуктов исходные вещества должны быть достаточно широко распространенными в народном хозяйстве и иметь малую стоимость.

Общие направления переработки мелассной барды с получением целевых продуктов с учетом приведенных ограничений представлены на рис. 2.

Исследования, проведенные на кафедре "Технологическое оборудование и пищевые технологии" ТГТУ, позволили выработать рекомендации по организации технологических процессов по 1, 3 и 4 вариантам переработки (рис. 2) мелассной послеспиртовой барды. В настоящее время проводится работа по комплексному внедрению предложенных технологических процессов в условиях ОАО "Биохим" (г. Рассказово) и проработка остальных вариантов.

ЦЕЛЕВЫЕ ПРОДУКТЫ

Рис. 2. Ресурсосберегающий потенциал мелассной барды На наш взгляд наиболее перспективным методом утилизации МПСБ является вермикультивирование (вариант 4 на рис. 2). Вермикультивирование позволяет не только полностью переработать жидкие органические отходы бродильных производств, но получать экономические значимые для региона продукты, такие, как органическое, экологически чистое, сбалансированное по всем элементам питания для растений удобрение в жидком или дисперсном виде; стимуляторы роста и средства защиты растений; лекарственные препараты для растений; животный кормовой белок в виде биомассы вермикультуры.

1. Разработка теоретических основ расчета и конструирования энерго- и ресурсосберегающего оборудования многоассортиментных химических и микробиологических производств / Дворецкий С.И., Долгунин В.Н., Зюзина О.В. и др.// Сб. научн. Трудов ТГТУ. Ч. 1.- Тамбов: ТГТУ, 1998.- С. 14-27.

2. Зюзина О.В., Грачева И.М., Арзамасцев А.А. Основы биотехнологии и промышленной экологии. - Тамбов. - ТИХМ.- 1990.- 89 с.

3. Технология спирта / В.Л. Яровенко, В.А. Маринченко, В.А. Смирнов и др.; Под ред. проф. В.Л. Яровенко.– М.: Колос, "Колос–Пресс", 2002.

4. Кухаренко А.А., Винаров А.Ю. Безотходная биотехнология этилового спирта. М.: Энергоатомиздат, 2001, 272 с.

Желябовский С. В., Акифьева Ю. А., Смолихин А. В.

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ВЕРМИКУЛЬТИВИРОВАНИЯ

И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГУМУСА

И ВЕРМИКУЛЬТУРЫ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Иванова О. О.

В настоящее время очень остро стоит проблема утилизации жидких органических отходов бродильных производств. Эта проблема состоит в том, что например, при производстве спирта соотношение готового продукта и органических отходов (послеспиртовой барды) концентрация твёрдой фазы, которых очень мала, составляет 1:(10…15) м3. Существует некоторые способов утилизации барды, к ним относятся сушка, в результате которой получаются гранулы и сухой корм для скота, но этот метод очень трудоёмок, энергоёмок и требует больших экономических затрат.

Применяются так же поля фильтрации, но этот метод экологически не безопасен, потому что впитываясь в землю часть отходов попадает в водоёмы и грунтовые воды, а на поверхности происходит разложение барды. Сейчас очень широко изучается и вводится в производство метод вермикультивирования.

Суть метода заключается в выращивании кольчатого червя Esenia foetida (Владимирский гибрид Старателя), в результате жизнедеятельности которых органические отходы перерабатываются в экологически чистое удобрение «биогумус», за счёт того, что вместе с копролитами черви выделяют большое количество собственной микрофлоры содержащей аминокислоты, ферменты, витамины и другие биологически активные вещества которые подавляют болезнетворную микрофлору. При этом органическая масса теряет запах, обеззараживается и приобретает гранулярную форму [1].

Способ круглогодичного полевого культивирования включает подготовку субстрата, подготовку летних вермибуртов которые затем трансформируются в зимние с аэраторами, затем формируют торфонавозные ленты и производят заселение червями. Недостаток метода состоит вопервых в трудоёмкой подготовке гряд, энергетических затратах связанных с постоянной подачей воздуха в аэраторы в зимнее время, и опасности того, что при небольшом сбое в работе персонала и оборудования возможна гибель популяции. В настоящее время этот способ применяется на практике в отличие от зимнего способа вермикультивирования [2].

Перейдём к рассмотрению устройств для выращивания червей. В основном устройство Рис.1 состоит из ёмкостей расположенных в траншее, ёмкости снабжены полыми перфорированными перегородками, которые могут перемещаться вертикально, также дно и боковые стенки выполнены из сетчатых лент, снабжённых приводами, оси барабанов соединены между собой при помощи конических передач. Над верхним основанием ёмкости под определённым углом наклона расположена полая планка, которая снабжена механизмами для её перемещения.

Рис. 1. Установка для выращивания дождевых червей Недостатком является то, что способ периодической работы, требует большой металлоёмкости и подверженность ёмкостей действию земляной коррозии[1]. Ещё одной установкой данного типа является установка для выращивания червей И.И.Сташевского, но патент на это устройство прекратил своё действие.

Наиболее эффективной является установка для промышленного разведения дождевых червей. Она содержит емкости для червей, средства загрузки и разгрузки субстрата, оросительную и обогревательную систему. Эта установка отличается тем, что ёмкость для разведения червей выполнена по меньшей мере в виде одного тоннеля, заглубленного в грунт под кровлю и установленного на поверхности имеющей уклон 1к горизонту, верхний торец которого оборудован бункером для загрузки субстрата и стартовой дозы червей, а на нижнем торце тоннеля имеется устройство для отделения червей и выдачи биогумуса, а для перемещения субстрата тоннель снабжён поддонами, имеющими тяговые элементы, соединенные между собой быстроразъёмными соединениями.

Также по периметру тоннеля закреплены рыхлители, которые рыхлят элементы субстрата. Под поддонами установлены направляющие, по которым подаётся воздух, там же смонтирован теплообменник. Устройство для отделения червей выполнено в виде источника энергии создания дискомфортных условий для червей (механические колебания субстрата, электромагнитные волны, электростатическое поле). Преимущество этой установки в том, что она имеет запасные бункера для субстрата смонтированные под кровлей на определенной высоте для дополнительного питания червей и площадку находящуюся над тоннелями предназначенную для биохимического превращения смеси навоза, растительных остатков и компонентов нейтрализации среды в субстрат. Недостатком является большая металлоёмкость и трудоемкость выполняемых работ, возможность коррозионного разрушения и энергоемкость, связанная с наличием теплообменников и др.

Уделим небольшое внимание устройству для отделения биогумуса от червей. Устройство содержит станину, на которой крепится приёмный лоток биогумуса, приёмный лоток червей, привод, на валу которого крепится диск. С помощью болтов к диску прикреплено кольцо с образованием зазора для вывода червей в приёмный лоток. К диску прикреплена просеивающая поверхность которая выполнена из трёх винтообразных изогнутых полос-сит, соединенных между собой с образованием винтообразной поверхности двоякой кривизны. Привод снабжён электродвигателем и ременной передачей.

Рассмотрим способ производства биогумуса Рис.2 и устройство для его осуществления. Способ включает в себя подготовку лотка, укладку субстрата органического состава в гряды, высадку в субстрат популяции червей. Формирование гряд осуществляется продольным распределением свежей подкормки и неспрессованного субстрата органического (барды) с правой стороны основной гряды, обеспечивающего лучшую аэрацию и увлажнение среды обитания червей. Готовый биогумус убирают, а на его место распределяют свежую подкормку, тем самым обеспечивая непрерывность процесса. Устройство содержит размещенные на самоходной тележке бункер с мешалкой и рабочий орган для распределения субстрата. Рабочий орган выполнен в виде транспортёра-распределителя на передвижной платформе, которая установлена на направляющих с возможностью возвратно-поступательного движения для продольного распределения субстрата. На обоих концах транспортёра установлены формообразующие элементы, выполненные в виде двух металлических щитов, края нижних частей которых имеют загиб с узлом от 35 до 40 0, обеспечивающий скольжение по гряде. На направляющих транспортёра с обеих сторон закреплены катки с зубьями для разравнивания и разрыхления верхних слоев гряд.

Научно доказано, что для успешного выведения червей вида «Esenia foetida» необходимо чтобы перерабатываемый субстрат отвечал условиям: влажность 75-83%, pH от 6.5 до 8, ПДК аммиака 0.5 мг/кг, ПДК углекислоты 6%, кислорода не менее 15%. При благоприятных условиях маточная культура даёт ежемесячно до 2 кг (50000 особей) молодых червей с 1 кв.метра площади[3]. Для более успешного достижения всего этого существует способ определения жизнеспособности коконов червей. Изобретение относится к биотехнологии. Коконы помещают в раствор ТТХ концентрацией 8-12г/л. Инкубируют в термостате при температуре 37С в течение 55-60 мин. Степень жизнеспособности коконов оценивают визуально по наличию и интенсивности красной окраски таковых. Изобретение позволяет уменьшить длительность и повысить точность определения жизнеспособности коконов червей.

1. Статья «Дождевые черви и производство биогумуса», http://www.xarhive.ru.

2. База данных по патентам изобретений и товаров, http://www.fips.ru

АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ

БИОГАЗА НА ОСНОВЕ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Иванова О. О.

В настоящее время остро стоит проблема утилизации жидких органических отходов бродильных производств[1]. Проблема заключается в том, что в производствах данного на каждый кубометр целевого продукта приходится 10 – 15 м3 жидких отходов, которые содержат очень малую концентрацию твёрдой фазы. Утилизация такого рода и количества отходов является трудоёмким, энергоёмким и не экономичным процессом, который представляет собой сушку и гранулирование жидких органических отходов, в частности послеспиртовой барды. Поэтому для повышения экономичности процесса утилизации барды была предложена её переработка с получением биогаза[2], как одного из перспективных альтернативных источников энергии. Биогаз – это смесь метана и углекислого газа (75%-метан, 25%-СО2), образующаяся в процессе анаэробного сбраживания в специальных реакторах, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение биогаза. Основными проблемами получения биогаза являются сложность организации самого процесса, его аппаратурного оформления.

Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов (рис.1), особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла.

Рис. 1. Классификация установок для получения биогаза Понятно, что детали технического устройства таких систем могут сильно различаться - от простейшей бродильной ямы в грунте с фиксированным объёмом газа до подземных или полуподземных баков с металлическим или резиновым накопителем газа с изменяющимся объёмом.

Эти установки могут работать в режиме полного перемешивания, полного вытеснения, в режиме контактных процессов, как анаэробные фильтры или реакторы с псевдоожиженным слоем. Конструкция таких устройств определяется типом перерабатываемого сырья. Задача заключается в том, чтобы не допустить потери микроорганизмов при работе системы.

В развитых странах используется множество разнообразных установок[3]. Это определяется конкретной задачей - очисткой стоков или же достижением нужного качества газа. Среди них есть и небольшие реакторы и крупные установки с приспособлениями для очистки газа, электрогенераторами, компрессорами и очистителями воды. Иногда их строят в составе одного комплекса с другими крупными объектами: канализационными станциями, сахарными и спиртовыми заводами, животноводческими фермами и молокозаводами.

Установка для производства биогаза (рис. 2) имеет две камеры:

внутреннюю камеру аэробной обработки, служащую источником тепла для подогрева сбраживаемой биомассы, и внешнюю камеру анаэробного сбраживания. Внутренняя камера имеет пеногаситель, крышку, мешалку, люк выгрузки аэрированной биомассы, дренажную трубу с отверстиями.

Внешняя камера имеет патрубки загрузки исходной и выгрузки сброженной биомассы с крышками, патрубок отбора биогаза с вентилем.

К недостаткам этой конструкции можно отнести: необходимость одновременного осуществления аэробного (во внутренней камере) и анаэробного (во внешней камере) сбраживания, металлоёмкость низкую удельную производительность.

Рис. 2. Установка для производства биогаза Рис. 3. Биогазовая установка Анаэробный биореактор для переработки жидких отходов (рис. 3) может быть использован в бродильном производстве для утилизации жидких органических отходов. а именно на спиртовых заводах. Он содержит в верхней части отделитель биомассы и биогаза, в нижней части коллектор распределения жидких отходов. Отделитель биомассы и биогаза расположен в насадке, которая содержит камеру сбора биогаза и отделения пены. Это позволяет повысить эффективность утилизации жидких отходов, отделения биогаза и предотвратить вынос активного ила. Недостатками конструкции являются: сложность подачи исходного материала и невозможность повторного использования активного ила с содержанием сухих веществ 80-85%, увеличенное время протекания процесса из-за отсутствия перемешивания.

Биогазовая установка (рис. 4) работает следующим образом: сначала осуществляется подача во внешнюю камеру метантенка разжиженных органических отходов с последующим их анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах метантенка, подогрев и перемешивание сбраживаемой массы, вывод из метантенка сброженного осадка и отбор биогаза из внешней и внутренней камер метантенка. Биогаз, отбираемый из внешней камеры метантенка, вводят во внутреннюю его камеру, для чего устройство содержит компрессор.Высокие энергозатраты, металломкость и дороговизна конструкции ограничивают её применение.

Рис. 4. Анаэробный биореактор для очистки сточных вод Биогазовая установка (рис. 4) работает следующим образом: сначала осуществляется подача во внешнюю камеру метантенка разжиженных органических отходов с последующим их анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах метантенка, подогрев и перемешивание сбраживаемой массы, вывод из метантенка сброженного осадка и отбор биогаза из внешней и внутренней камер метантенка. Биогаз, отбираемый из внешней камеры метантенка, вводят во внутреннюю его камеру, для чего устройство содержит компрессор.Высокие энергозатраты, металломкость и дороговизна конструкции ограничивают её применение.

Таким образом, анализ приведённых конструкций показывает, что проблема разработки новых технологий и оборудования для производства биогаза является актуальной, т.к. рассмотренные выше технологии сложны с организационной точки зрения, оборудование материалоемкое, условия проведения процесса не обеспечивают максимально возможное использование сырья и выход продукта. Чтобы получить наибольший объёмный выход продукции скорость подачи субстрата должна быть возможно большей, а это в свою очередь связанно с поддержанием высокой концентрации жизнеспособных бактерий. Так как метанобразующие бактерии имеют низкую скорость роста, важно технологическими методами обеспечит их высокую концентрацию в биореакторе. Один из таких методов – иммобилизация клеток на поверхности носителей. Установлено[2], что метаногены любят адгезировать на поверхностях, поэтому в реактор можно помещать специальные иммобилизирующие средства ( щётки, гранулы и т.д.). На пример, на щётках из капроновых волокон уже через 2-3 недели ферментации накапливается в 2-3 раза больше метаногенов, чем в жидкости.

1. Биотехнология М.Е.Бекер, Т.К. Лиепиньш – М Агропромиздат 1990-335с 2. Биотехнология: Учеб. пособие для вузов в 8-ми кн./Под ред. Н.С.

Егорова В.Д.Самуилова – М: Высш. Школа 3. БД по патентам изобретений и товаров http://WWW.Fips/ru Москва.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Иванова О. О.

Особенностью современной биотехнологии, процессы которой протекают с высокими скоростями, при различных температурных режимах в многофазных системах является их большая сложность, обусловливаемая нелинейностью, большим числом переменных, определяющих течение процессов, внутренних связей между переменными и их взаимным влиянием. В результате, объем перерабатываемой информации при расчетах достаточно велик, и для того, чтобы воспринять и проанализировать эту информацию, мы вынуждены уменьшать этот объем и тем самым ограничивать количество возможностей, между которыми делается выбор. Это достигается познанием процесса через модели, которые отражают важные стороны явлений изучаемого процесса [1].

С учетом тех конкретных задач, которые ставятся перед исследователем, а также специфики моделируемого объекта различают три типа математических моделей: поисковую, портретную и исследовательскую.

Поисковая модель строится в том случае, когда исследователь, не располагая сведениями о механизме наблюдаемого явления, имеет лишь информацию о реакции системы (черного ящика) на возмущающие воздействия. Недостатком данного типа модели является возможность ошибочного суждения о справедливости выдвинутой при моделировании гипотезы или механизме изучаемого явления.

Портретная (копирующая) модель строится в тех случаях, когда механизм изучаемого явления хотя и известен, но постановка эксперимента затруднительна. Оценка адекватности такой модели проблематична.

Исследовательская модель служит для установления и описания особенностей моделируемого объекта, прогнозирования результатов, оптимизации, выяснения роли возмущающих воздействий [2].

Математические модели, часто используемые при описании биотехнологических процессов, рассмотрены ниже.

Большое разнообразие видов источников сырья обусловливает различные технологические процессы его подготовки для культивирования микроорганизмов. Описание процесса ферментативного гидролиза представляет собой сложную задачу в связи с тем, что исходное сырье является полисубстратной системой. Согласно схеме на рис. 1 исходное сырье может быть представлено как полисубстратный комплекс, состоящий из молекул крахмала и декстринов Z, характеризующихся определенны количеством – связей Z1. Под действием фермента – амилазы и происходит образование молекул глюкозы S и предельных декстринов ZD.

Константы скоростей реакций составляют: K1 – для реакции превращения Z1Z2; K2 – для реакции ZS, катализируемой – амилазой, K3 – для ингибирования продуктом реакции.

Система уравнений, описывающая скорость изменения количеств указанных в схеме веществ, имеет вид:

где m1 – число – связей в молекуле субстрата Z1; b – среднее число глюкозных единиц в Z1.

Сравнение представленной модели (1) с экспериментальными данными показало удовлетворительное совпадение [4].

В настоящее время известно большое число математических моделей кинетики роста микробных популяций, рассмотренных в обзорных работах. В связи с этим при описании конкретного микробиологического процесса важное значение приобретает задача идентификации различных моделей и постановка специальных дискриминирующих экспериментов.

В табл. 1 представлены кинетические модели, наиболее широко применяемые в практических задачах расчета процесса культивирования микроорганизмов.

субстрата S и Конкурентное ингибирование Общая схема взаимодействия субстрата, Особенности массообменных эффектов в биотехнологических системах связаны с процессами ферментации, когда одновременно с ростом и развитием популяции микроорганизмов осуществляется перенос массы (транспорт питательных веществ и продуктов метаболизма) и энергии (поглощение и выделение тепла при биохимических превращениях в многофазной системе).

В общем случае для i –го компонента питательной среды справедливо балансовое уравнение, определяющее условия транспорта и потребления веществ в объеме V Еще недостаточно имеется надежных адекватных математических моделей процессов и аппаратов биохимических производств. Работы в этом направлении ведутся во многих научно – исследовательских институтах, идет интенсивное накопление данных по математическим моделям, разработке обобщенных зависимостей для кинетических коэффициентов и т.п.

1. Дворецкий С.И., Егоров А.Ф., Дворецкий Д.С. Компьютерное моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования:

Учеб. пособие, Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003, 224 с.

2. Васильев Н.Н. и др. Моделирование процессов микробиологического синтеза”. М., Лесная промышленность, 1975, 341 с.

3. Кафаров В.В. и др. Моделирование и системный анализ биохимических производств / В.В. Кафаров, А.Ю. Винаров, Л.С. Гордеев – М.:

Лесная промышленность, 1985, 280 с.

4. Яровенко В.Л., Равинский Л.А. Моделирование и оптимизация микробиологических процессов спиртового производства. М., Пищевая промышленность, 1978, 247 с.

Смолихин А. В., Желябовский С. В., Акифьева Ю. А.

УТИЛИЗАЦИЯ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Иванова О. О.

Важнейшей проблемой спиртовой промышленности является утилизация жидких отходов, в частности послеспиртовой барды. При производстве 1 дал спирта из мелассы получается 12-13 дал мелассной послеспиртовой барды (МПСБ). Даже на заводе малой мощности (1000 дал спирта в сутки) выход барды составляет 130 м3. Барду до недавнего времени скармливали в откормочных хозяйствах, расположенных вблизи спиртовых заводов, куда она подавалась по трубопроводам в горячем состоянии. Для скармливания такого количества барды необходимо иметь на откорме 2000 голов скота. В настоящее время хозяйств такого уровня практически не осталось.

Отсутствие очистных сооружений должного уровня приводит к тому, что отходы выбрасываются в окружающую среду, усиливая экологическую напряженность регионов. В связи с этим, решение проблемы утилизации отходов спиртовых и пивоваренных заводов носит комплексный характер – технологический, экологический, ресурсосберегающий.

В настоящее время на предприятиях отрасли используются следующие способы утилизации барды: сушка, консервирование, силосование.

Одним из распространенных способов консервирования барды является сушка. Однако при нагреве необходимо ограничивать температуру до 600С, так как при более высокой температуре барда приобретает темный цвет и неприятный запах. Также основной недостаток сушки – высокие энергетические затраты. Как показывает практика, сухую барду можно брикетировать или добавлять в комбикорма. Недостатком брикетирования является то, что при отжиме с водой теряются растворенные в воде питательные вещества, аминокислоты, минеральные элементы [1].

При консервировании барды необходимо создать благоприятные условия для развития молочнокислых бактерий. При наличии в барде более 2,5% молочной кислоты жизнедеятельность уксусно- и маслянокислых бактерий прекращается. Это послужило основанием использовать для консервирования барды культурные молочнокислые бактерии.

Для снижения влаги барду силосуют в смеси с ржаной мякиной, кормовой свеклой, мелассой (при соотношении: 3-4 тонны барды на 1 тонну грубого корма). Масса загружается послойно: сначала слой выровненных ненных грубых кормов, затем горячая или теплая барда; смесь перемешивается и утрамбовывается. При силосовании барды с мякиной предъявляются высокие требования к трамбовке, поскольку в силосе содержится большое количество воздуха, что приводит к его порче [2].

ЗАО Биокомплекс предлагает комплексное решение по переработке жидкой пивной дробины и спиртовой барды основанное на её сепарировании и сушке [3]. Основой предлагаемого решения является применение шнекового пресссепаратора (рис. 1), который признан лучшим из доступных сегодня технологий для выполнения задачи по разделению жидкой дробины или барды на фракции. Это единственное оборудование для переработки дробины и барды, эффективно отделяющее твёрдые составляющие, которые получаются достаточно сухими (с них не капает), а концентрация сухих веществ составляет около 40%.

За последние десять лет на территории стран входящих в СНГ, резко возрос интерес к вермикультивированию (разведение червей и переработка различных органических отходов в удобрение биогумус) [4].

Учитывая все выше перечисленное можно предложить следующую принципиальную схему организации производства биогумуса (рисунок 2). Подготовленное органическое сырье (в нашем случае отходы бродильных производств), а затем и черви добавляются в ложе, затем все это накрывается любой мульчей (солома, опилки или измельченный картон).

Потом в течение определенного периода времени ложе при необходимости поливается водой для поддержания влажности и температуры. На следующем этапе извлекают сырой биогумус, затем его отделяют от червей и просушивают, а для того, чтобы довести его до товарного вида, просеивают и расфасовывают в мешки, затем реализуют.

компоненты Исходные Рис. 2. Схема организации процесса утилизации МПСБ 1. Э.Ш. Манеева, А.В. Куприянов, В.П. Попов, В.Л. Касперович Комплексное решение проблем производства высококачественного этилового спирта и утилизации послеспиртовой барды// Техника и технологии пищевых производств, 2000, №2.-с.122-125.

2. Бернштейн А.Ф., Сиволап И.К. Комплексное использование барды спиртовых заводов. - Москва. ; 1982.- 100 с.

http://www.biokompleks.ru. 2005 г.

4. Vermihaus. http://www.vermyk.narod.ru. 2005 г.

К РАЗРАБОТКЕ МОДЕЛИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

НА ОСНОВЕ МЕЛАССНОЙ ПОСЛЕСПИРТОВОЙ БАРДЫ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Иванова О. О.

Интерес к использованию биогаза, как одного из перспективных альтернативных источников энергии, в последние годы не только не убывает, но и продолжает возрастать. Направления использования биогаза обширны от непосредственного сжигания в тепловых установках различной производительности до совместной выработки тепловой и электрической энергии или подпитки биогазом сетей природного газа. [4] В связи с этим работы по исследованию процесса образования, разработке решений по утилизации биогаза чрезвычайно важны.

Исследование процессов образования биогаза требует проведения многочисленных экспериментов, что в свою очередь требует больших материальных затрат и времени. В данной области удобным способом исследования является математическое моделирование.

Модель кинетики процесса ферментации должна отражать закономерности изменения скорости роста микроорганизмов и биосинтеза целевого продукта метаболизма в зависимости от текущих концентраций субстрата, биомассы, продуктов метаболизма, температуры и pH.[3] В общем виде модель можно представить как систему из n дифференциальных уравнений:

где с1(t),…,cn(t) – неизвестные функции времени, описывающие пеdc i ременные системы (например концентрации веществ); – скорости изменения этих переменных; f – функция, зависящая от внешних и внутренних параметров системы. [1] Наиболее часто в качестве такой функции используется удельная скорость роста микроорганизмов. [5] Из всего вышесказанного следует, что построение модели можно свести к определению зависимости скорости роста микроорганизмов от внешних и внутренних параметров системы.

В силу сложности процессов в экологической системе необходимо выделить главные факторы, взаимодействие которых качественно определяет судьбу системы. Фактически все модели, включающие описание роста популяций или сообществ, основываются либо на "принципе лимитирующих факторов" либо на "законе совокупного действия факторов".

Наиболее часто в качестве лимитирующего фактора выбирается концентрация субстрата. [5] Из всех субстратзависимых моделей наиболее часто используется модель Моно:

Согласно этой модели скорость роста растет пропорционально концентрации субстрата, а при избытке субстрата выходит на постоянную величину (рис. 1), однако довольно часто повышенные концентрации субстрата оказывают ингибирующее действие [2].

концентрации субстрата по модели Моно Ингибирование повышенными концентрациями субстрата учитывает модель Андрюса:

Это уравнение отличается от уравнения Моно наличием в знаменателе квадратичного члена S2 с новым кинетическим параметром Кi.

Из рис. 2 видно, что зависимость µ (S) по Андрюсу имеет явный экстремум. Следует отметить, что ингибирующее действие может оказывать так же продукт метаболизма. Зависимость удельной скорости роста от концентрации продуктов метаболизма описывается уравнением Иерусалимского:

где Кр – константа ингибирования.

До сих пор рассматривались кинетические уравнения, в которых на скорость роста влиял только один фактор, но в реальности часто на процесс влияет не один, а несколько факторов. Чаще всего приходится учитывать влияние нескольких субстратов.

Такие уравнения бывают четырех основных типов:

1. Мультипликативные уравнения.

2. Аддитивные уравнения.

3. Альтернативные уравнения.

4. Уравнения с неразделяющимися переменными.

Из перечисленного наиболее часто встречающимися являются мультипликативные уравнения.

Мультипликативные уравнения – функция является произведением однофакторных зависимостей:

Здесь каждый фактор автономен и может иметь свою собственную зависимость. Например, один субстрат имеет зависимость по Моно, а второй - с ингибированием по Андрюсу:

Однако едва ли не чаще встречаются неоднородные многофакторные уравнения, в которых участвуют субстрат и продукт.

Среди них наиболее распространено уравнение МоноИерусалимского:

Все рассмотренные ранее зависимости, касались собственно роста популяции микроорганизмов. Реально же наряду с ростом популяции происходит и её отмирание (диссимиляция):

Связь между удельной скоростью диссимиляции и концентрацией субстрата описывает уравнение Колпикова:

где µ m - максимальная удельная скорость диссимиляции при нулевой концентрации субстрата; Kd – константа субстратного ингибирования процесса диссимиляции.[3] Все вышеописанные модели были использованы при составлении общей модели процесса образования биогаза на основе мелассной послеспиртовой барды.

1. Рубин А.Б. Биофизика. www.library.biophys.msu.ru/rubin/ 2. Баснакьян И.А., Бирюков В.В., Крылов Ю.М. Математическое описание основных кинетических закономерностей процесса культивирования микроорганизмов // В кн.: Итоги науки и техники. Микробиология. Т. 5. Управляемое и непрерывное культивирование микроорганизмов.– М. – 1976.– с. 5-75.

3. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. – М.:

Колосс, 2004. – 296 с.

4. www.esco-ecosys.narod.ru 5. www.dmb.biophys.msu.ru

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО БЕЛКА

НА КОНСИСТЕНЦИЮ ПЛАВЛЕНОГО СЫРА

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Зюзиной О. В.

В связи с существующими тенденциями спада производства товарного молока в России наметился дефицит молочного сырья, что повлекло за собой необходимость частичной или полной замены его в рецептуре ряда продуктов питания [1].

Одновременно на фоне динамического развития производства белковых продуктов из растительного сырья появилась возможность расширения ассортимента биологически ценной и доступной для потребителя молочной продукции [2].

На стыке этих двух тенденций активно разрабатываются технологии и рецептуры с включением растительных компонентов [3].

Одним из наиболее популярных молочных продуктов на российском рынке является колбасный сыр, который представляет собой плавленый сыр заданной консистенции расфасованный в полимерные оболочки в форме батона, подвергаемый копчению. Технология и рецептуры данного переработанного сыра позволяют включать различные добавки без изменения потребительских качеств, обеспечивая повышение биологической ценности [4].

Изучена возможность применения в производстве колбасных плавленых сыров нейтрального фитосыра (тофу), полученного путем створаживания экстракта цельных соевых бобов.

Первоначально был установлен характер поведения фитосыра в различных средах, для чего произведены микроплавки измельченного продукта в сочетании с различными солями-плавителями. Опыт проводился при избыточном давлении в автоклаве для обеспечения повышенной температуры плавления. В результате было отмечено, что фитосыр не поддается плавлению и в присутствии соли-плавителя приобретает резинистую консистенцию.

Полученные результаты подтвердились при попытке внесения измельченного фитосыра в массу для изготовления плавленого сыра. На срезе готового продукта наблюдались светло-бежевые, желтые включения.

Была предпринята попытка подвергнуть фитосыр предобработке путем выдержки в кислой среде молочной сыворотки с целью активации процесса протеолиза, изменения свойств и приобретения способности к плавлению. В изготовленном плавленом сыре на срезе также были заметны включения, но менее выраженные.

Для улучшения консистенции и внешнего вида среза эффективным оказалось предварительное тонкое измельчение фитосыра до однородной массы.

Сравнительная оценка качества полученных образцов была проведена с помощью традиционного органолептического анализа и измерения предельного напряжения сдвига.

На основании проведенных опытов можно сделать вывод о том, что применение фитосыра при изготовлении плавленых колбасных сыров приводит к незначительному ухудшению консистенции готового продукта, так как данный вид сырья не участвует в процессе гелеобразования.

Использование фитосыра как заменителя молочного сырья возможно при применении технологии его предобработки с целью придания свойств, соответствующих условиям плавления сырной массы.

1 Михайлова Н.И. Сыр и масло на российском рынке // Переработка молока. 2005. №7. – С. 4 – 5.

2 Доценко С.М., Тильба В.А., Иванов С.А., Абрамкина Е.А. Проблема дефицита белка и соя // Пищевая промышленность. 2002. №8. – С.

38 – 40.

3 Юрченко Н.А., Журбина Т.С. Пищевая и биологическая ценность мягкого комбинированного сыра // Хранение и переработка сельхозсырья. 2005. №4. – С. 59.

4 Роздова В.Ф. Научные и практические аспекты повышения качества плавленых сыров // Сыроделие и маслоделие. 2004. №2. – С. 14 – 16.

ВЛИЯНИЕ РЕЦЕПТУРНЫХ ИНГРЕДИЕНТОВ

И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ

НА КАЧЕСТВО СБИВНЫХ КОНФЕТ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Муратовой Е. И.

Сбивные конфетные массы представляют собой кондитерские пены, обладающие нежной кремообразной консистенцией. Пены – это дисперсные системы, состоящие из двух фаз – газовой и жидкой. Газовой фазой является воздух в виде равномерно распределенных пузырьков, которые разделены тонкими прослойками сахаро-паточно-агаровой массы (жидкая фаза) с включением различных вкусовых и ароматизирующих компонентов.

Пены получают двумя основными способами: интенсивным перемешиванием жидкости, при котором происходит захват воздуха и его диспергирование по всему объему, и пропусканием воздуха под давлением через жидкость с последующим его расширением за счет перепада давлений. Для получения устойчивой высокодисперсной пены используют стабилизатор пены и пенообразователь. Они облегчают вспенивание и препятствуют слипанию пузырьков воздуха. Пенообразователем для сбивных конфетных масс чаще всего является яичный белок, стабилизатором – агар [1].

В зависимости от рецептуры и технологии сбивные конфетные массы подразделяют на два основных типа: легкого и тяжелого. К сбивным массам легкого типа относят массы для конфет типа «Суфле». В зависимости от рецептуры эти массы бывают молочно-сбивные и фруктовосбивные [2].

Качество сбивных конфет зависит от органолептических и физикохимических показателей, а также от соотношения рецептурных компонентов и соблюдения технологических режимов приготовления данного вида конфетных масс [3].

Исследования в этой области кондитерской промышленности направлены на повышение качества и биологической ценности данного продукта, его сроков годности, расширения ассортимента сбивных конфет [4, 5].

Актуальной проблемой в обеспечении качества сбивных конфет является появление кристаллов сахара в массе и, как следствие, ухудшение органолептических свойств, а иногда и полная потеря требуемых потребительских характеристик до окончания срока годности.

бительских характеристик до окончания срока годности. Не менее остро стоит вопрос использования возвратных отходов при производстве сбивных конфет типа «Птичье молоко», однако они также провоцируют возникновение кристаллов сахара в массе и их рост.

На сегодняшний момент четкой причины засахаривания сбивных конфет в литературных источниках нет. Также не существует конкретных рекомендаций по возможности срабатывания возвратных отходов в те же наименования изделий.

Объектом экспериментальных исследований на базе лаборатории ОАО «Кондитерская фирма ТАКФ» являлись образцы конфетных масс типа «Птичье молоко». Изучалось влияние рецептурных компонентов, технологических режимов и количества возвратных отходов, используемых при производстве конфет данного вида (всегда достаточно остро стоял вопрос использования возвратных отходов при производстве конфет со сбивными корпусами типа «Птичье молоко»., т.к. они провоцируют возникновение кристаллов сахара в массе и их рост) на сохранение органолептических свойств в течение срока годности.

При изготовлении контрольных образцов проверялись все основные показатели, указанные в типовых технологических инструкциях, а также физико-химические показатели согласно ГОСТ 4570-93 Конфеты. Общие технические условия.

Фиксировались следующие показатели технологических режимов:

время сбивания белка, температура сиропа при смешивании со сбитым белком, время сбивания белка с сиропом, время перемешивания массы с вкусовыми и ароматизирующими компонентами.

Периодичность контроля: в момент изготовления конфет, на пятые сутки хранения, на десятые сутки хранения, последующий контроль через каждый месяц хранения до окончания срока годности (3 месяца).

На основе экспериментов выявлена необходимость:

1. Введения в качестве обязательных для контроля при производстве данных изделий физико-химических показателей ранее не применяемых к данному виду изделий.

2. Использования сырья с физико-химическими показателями отличными от традиционно применяемого при производстве данного вида изделий.

3. Изменения соотношения традиционных рецептурных компонентов.

Планируется апробирование в промышленных условиях результатов экспериментальных исследований.

1. Справочник технолога кондитерского производства. В 2-х томах.

Т.1. Технологии и рецептуры./ Т.К. Апет, З.Н. Пашук. - СПб.: ГИОРД, 2004.-560с.: ил.

2.Скобельская З.Г. Технология производства сахарных кондитерских изделий.- М.: ПрофОбрИздат, 2002.- 416с.

3. Материалы пятой Международной конференции «Кондитерские изделия 21 века»/ Международная промышленная академия, 21-24 марта 2005 г.- М.: Пищепромиздат, 2005.-172с.

4. http://www.fips.ru 5. http://www.sciteclibrary.ru

ВЛИЯНИЕ РЕЦЕПТУРНЫХ ИНГРАДИЕНТОВ

НА СКОРОСТЬ ВЫСЫХАНИЯ ПОМАДНОГО СЛОЯ

КОМБИНИРОВАННЫХ ПОМАДНО-ЖЕЛЕЙНЫХ КОНФЕТ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Муратовой Е. И.

При создании нового ассортимента кондитерских изделий особый интерес представляет производство конфет с комбинированными корпусами, изготовленными из двух и более слоев конфетных масс – ликерных, фруктовых, помадных, кремовых, пралиновых, желейных и других. Производство комбинированных помадно-желейных конфет состоит из следующих этапов: приготовление желейной массы, приготовление помадной массы и их совмещение на стадии формования корпусов. Приготовление конфетных масс каждого слоя производится по традиционной для данного вида конфет технологии. Формование осуществляется методом отливки в формы, отштампованные в крахмале, при этом в крахмальные формы отливается сначала слой желе, затем слой помады. Далее все операции – охлаждение корпусов, их глазирование, охлаждение глазированных конфет и завертка – производятся таким же образом, как для помадных и желейных конфет.

В процессе хранения изделий с комбинированными помадножелейными корпусами наблюдается изменение влажности слоев вследствие миграции влаги из одного слоя в другой. При этом помадный слой отличается более быстрым высыханием («черствением») при хранении, в связи с чем актуальной задачей является поиск технологических приемов, способствующих замедлению этого процесса.

Известно, что причинами высыхания помадных конфет является испарение влаги из жидкой фазы помады, в результате чего возрастает степень пересыщения и происходит процесс кристаллизации сахарозы [1].

Образование белых пятен – скопления микроскопических кристаллов сахарозы – сначала на ребрах корпуса, а затем на всей поверхности дает основание полагать, что процесс кристаллизации из межкристального сиропа идет как в направлении дальнейшего роста существующих кристаллов сахарозы, так зарождения новых. Однако замечено, что при хранении помады в закрытых бюксах, в которых испарение влаги исключено, подобных явлений не наблюдается в течение многих месяцев хранения. При этом происходит только частичное отделение жидкой фазы от кристаллической.

Образование белых пятен на поверхности корпусов характерно для помады, приготовленной по рецептуре с добавлением патоки, инвертного сиропа, сорбита, декстрина и других веществ.

Высыхание помадных конфет будет продолжаться до установления равновесной влажности, которая в свою очередь зависит от относительной влажности воздуха (табл.1).

Относительная Начальное содержание Влажность после хранения Столь низкое содержание равновесной влажности помады является основной причиной ее быстрого высыхания. Скорость высыхания зависит от многих факторов, основными из которых являются: начальная влажность конфетных корпусов, дисперсность кристаллов сахарозы, температура и относительная влажность воздуха, химический состав жидкой фазы помады. Чем выше температура и ниже относительная влажность воздуха, тем интенсивнее происходит процесс высыхания.

При повышении содержания сухих веществ в помаде тенденция к высыханию замедляется. От химического состава жидкой фазы зависит взаиморастворимость сахаров, следовательно, и содержание сухих веществ в жидкой фазе, а также соотношение между твердой и жидкой фазами.

Так как «черствение» помады является следствием потери значительной части влаги в результате ее испарения, а в случае комбинированных корпусов миграции влаги из слоя в слой, то получение невысыхающего и малочерствеющего слоя помады возможно при введении в ее рецептуру влагоудерживающих добавок: пектина, желатина, пектиносодержащего сырья. Механизм их действия заключается в снижении скорости миграции влаги между слоями и задержке ее испарения, что и продлевает сроки хранения конфет [2]. В качестве влагоудерживающих добавок ранее исследовано применение патокообразующих (крахмальная патока, глюкоза, мед, фруктоза, инвертный сироп), гидрофильных (агар, пектин) и поверхностно-активных (яичный белок) веществ. Результаты экспериментов показали, что крахмальная патока, несмотря на свои гидрофильные свойства, при хранении на открытом воздухе способствует высыханию конфетных корпусов, при этом скорость высыхания пропорциональна содержанию патоки. Аналогичные результаты получены при хранении конфет, изготовленных из помады, в которую вместо патоки добавлено 3, 7 и 12% инвертного сиропа: при хранении быстрее высыхают те конфеты, которые содержат больше инвертного сахара. Таким образом, вещества, предусмотренные рецептурой при производстве помадной массы (крахмальная патока и инвертный сироп), ускоряют процесс высыхания конфет.

В ряде работ указывается на целесообразность применения препарата инвертина или инвертазы [1]. Под действием инвертазы в помадной массе происходит медленный процесс инверсии сахарозы и накопление редуцирующих сахаров. Это до некоторой степени регулирует соотношение между твердой и жидкой фазами, так как часть кристаллической сахарозы переходит в раствор, что и дает изделиям мягкую консистенцию. Но, несмотря на то, что при хранении конфет накапливается значительное количество (до 22%) редуцирующих сахаров, они продолжали высыхать. Кроме того, активность инвертина резко понижается при температуре выше 60С и при рН помады ниже 4,5-5. Поэтому эти препараты не получили практического применения в кондитерской промышленности.

Исследовано применение различных поверхностно-активных веществ: моноглицеридов, дистеарата сахарозы, моностеарата сорбитина, эфиропольмитина глицерина и других. При этом установлено, что моностеарат глицерина и жиросахара способны при дозировке 0,25% к массе рецептурной смеси задерживать высыхание помадных и желейных масс [1].

В качестве поверхностно-активного вещества, способного задерживать высыхание помадных корпусов, можно использовать сорбит. Будучи безвредным, он обладает рядом положительных свойств: нелетуч, стоек к нагреванию. Его присутствие в любых количествах в сахарных растворах не вызывает при нагревании разложения сахарозы. Поэтому его можно непосредственно добавлять в рецептурную смесь. Сорбит хорошо растворим в воде, обладает антикристаллизационными свойствами по отношению к сахарозе. Помадные конфеты при добавлении в рецептуру 5сорбита лучше сохраняются и меньше высыхают, чем при добавлении патоки или инвертного сиропа.

Замедлить процесс высыхания помады также можно за счет введения различных гидрофильных веществ, связывающих воду и снижающих тем самым ее активность. Экспериментальными исследованиями подтверждено, что добавление яичного белка в количестве 0,2% к массе сахара повышает стойкость помады к высыханию и улучшает ее товарные свойства [1]. Установлено, что в качестве гидрофильной добавки можно использовать поваренную соль, которая связывает и удерживает в 9 раз больше молекул воды по сравнению с сахарозой. Таким образом, использование поваренной соли в производстве помадных конфет в раза замедляет процесс их высыхания и значительно снижает приторность изделий [3].

Для комбинированных помадно-желейных конфет проблема «черствения» еще более актуальна, чем для традиционных однослойных помадных конфет, в связи с миграцией влаги из помадного слоя в желейный, что заметно снижает продолжительность хранения таких конфет. С целью изучения влияния различных рецептурных добавок на высыхание помадного слоя комбинированных помадно-желейных конфет проведен ряд экспериментальных исследований в лаборатории ОАО «Кондитерская фирма ТАКФ». В ходе исследования готовились образцы помады по традиционной рецептуре и с добавлением поваренной соли, новых модификаций пектинов, желатина, эмульгаторов и пищевых волокон в различных процентных соотношениях. Для всех образцов определялось содержание влаги в помадном слое комбинированных корпусов на различных этапах хранения и органолептические свойства.

На основании проведенных исследований выявлены добавки, способствующие замедлению процесса высыхания помадного слоя и не ухудшающие органолептические показатели конфет, и определены их оптимальные количественные соотношения. Результаты исследований могут быть использованы для проектирования новых рецептур комбинированных помадно-желейных конфет.

1. Зубченко А.В. Физико-химические основы технологии кондитерских изделий. – Воронеж, 2001. – 389с.

2. Оболкина В.И. Совершенствование технологического процесса производства кондитерских изделий с комбинированными корпусами. http://www.ipdo.kiev.ua/insitut/exibitions/tezy/tezy5.htm.

3. Магомедов Г.О., Мирошникова Т.Н., Абдулгалимова О.В. Использование поваренной соли в производстве помадных конфет. / «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации». Сб. докладов Всероссийской научно-технической конференциивыставки. Ч.1. – М., 2004, с.51-52.

Технологические процессы, машины комплексной химической переработки Руководитель программы д.т.н., проф. Беляев П. С.