Адаптация машин, аппаратов и биореакторов к технологическим свойствам пищевых сред и к процессам их обработки.

В общем случае создание современных машин, аппаратов и биореакторов базируется на основных технологических принципах: от изучения основных технологических свойств сырья, как объектов исследования – к выбору метода и обоснованию режима непрерывного процесса его переработки и только на этой основе – к созданию рациональных конструкций машин, аппаратов и биореакторов.

Поиски принципиально новых концептуальных решений п р о б л е м ы а д а п т а ц и и м а ш и н н ы х т е х н о л о г и й к т е х н о л о г и ч е с к и м с в о й с т в а м п и щ е в ы х с р е д и к п р о ц е с с а м и х о б р а б о т к и, отличным от традиционных и учитывающим возможности существующих методов, привели к необходимости синтеза и анализа интегрированной системы: "технологические свойства пищевых сред - процессы обработки – машины, аппараты и биореакторы". Адаптация здесь рассматривается как реакция системы к изменяющимся внешним и внутренним условиям, которая необходима для выбора оптимального возмущающего воздействия. Оптимизация связей между технологическими свойствами сырья и параметрами обработки – задача оптимизации. При этом адекватное формирование концепции развития машинных технологий должно базироваться на выполнении критериев гибкости, устойчивости и приспосабливаемости.

М а ш и н н ы е т е х н о л о г и и представляют собой в настоящее время систему знаний о способах воздействия различных машин и аппаратов пищевых производств на сырье, материалы и полуфабрикаты, причем для каждого вида продуктов питания применяют свою совокупность методов обработки. Основы машинных технологий составляют совокупности типовых процессов как специфические технологические операции. Совокупность технологических свойств исходного сырья и процессов обработки в машинах, аппаратах и биореакторах технологической линии есть, по существу, один большой процесс или поток. Несмотря на разнообразие машинных технологий, общим для различных линий является то, что в них организован и функционирует непрерывный технологический процесс преобразования исходного сырья в продукт. Такой процесс имеет определенные закономерности, которые необходимо знать для создания новых высокоэффективных технологических линий, в том числе путем адаптации технологических процессов в пищевых средах к машинным технологиям.

Применительно к машинным технологиям, в нашем случае, адаптация рассматривается как подсистема системы управления "технологические свойства сырья - процессы - машины, аппараты и биоректоры", функционирующая взаимосвязано со всеми ее другими элементами через совокупность входных, выходных и управляющих параметров. Отсутствие конкретной информации и необходимость принятия решения определяют специфику адаптации в пищевой технологии, на которую накладывается характерная структура машинной технологии.

По мере увеличения числа компонентов и их составных частей, используемых в технологическом потоке (т.е. элементов, которые могут быть приспособлены к самым разнообразным условиям), возрастает значение адаптации исследуемых процессов к машинным технологиям. Это приспособление должно быть взаимным и оптимальным, при котором технологическая система функционирует и обеспечивает эффективность предложенного варианта по принятому критерию. Структурное представление такой системы может быть представлено следующим образом (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Структурное представление системы "технологические процессы – машины, аппараты и биореакторы": - материальные потоки; - информационные адаптационные потоки.

В соответствии с теорией системного анализа, методология которого базируется на комплексном использовании принципов математического моделирования, математической теории систем, достижениях современных средств вычислительной техники и информатики, тепло- и массообменные процессы и машинные технологии в нашем понимании рассматриваются как система со сложными внутренними и внешними связями. Существующие б а з о в ы е м е т о д ы а д а п т а ц и и этой системы включают следующий комплекс мероприятий: физическое моделирование, теорию подобия, метод аналогий, математическое моделирование, масштабные переходы и др. (рис. 10.2)

Рис. 10.2. Базовые методы адаптации системы "технологические свойства сырья - процессы обработки- машины, аппараты и биореакторы"

Кроме этого, адаптацию машин, аппаратов и биоректоров к технологическим свойствам сырья и процессам обработки (рис. 10.3) можно рассматривать и как систему Т, взаимодействующую с другой системой В. При этом, в зависимости от цели адаптации, могут быть рассмотрены различные соотношения между взаимодействующими системами Т и В. Эти взаимоотношения могут образовывать некоторую модель взаимных связей процессов с машинами, аппаратами и биореакторами.

,

Рис. 10.3. Система адаптации машин, аппаратов и биоректоров к технологическим свойствам сырья и процессам обработки.

где – модель изменения свойств пищевых сред в процессе их обработки; – модель связи с объектами исследований; – модель объекта исследования; – модель связи машин, аппаратов и биореакторов с объектом исследования; – модель машин, аппаратов и биореакторов.

Эту взаимосвязь можно представить в виде модельной адаптации системы М_RТ, которая строится на основе принципов однозначности и неизбыточности. Таким образом, она может быть рассмотрена как одна автономная система относительно другой.

Описание моделей общей системы М_RT представляется как адаптация моделей ее компонентов в виде графов различных структур (табл. 10.18).

Модель объекта исследования М_Т, соответствующая внешнему описанию системы «технологические свойства сырья - процессы обработки - машиы, аппараты и биореакторы», является моделью "вход-выход", которая отражает только причинно-следственные взаимоотношения входных х_n и выходных у_m переменных системы и может быть представлена в виде полного (в силу сильной связанности графа G_FT) двудольного графа G₀, определенного на множествах х и у. С другой стороны, модель системы М_Т определяется сильно связанным графом G_T, представляющим внутреннее описание этой системы.

Представленное системно-структурное рассмотрение адаптации машин, аппаратов и биореакторов к технологическим свойствам сырья и процессам обработки имеет вид модели М_RT системы и однозначно определяется частными моделями М_F, M_FT, M_T, M_TZ, M_Z, решение которой может быть получено в виде векторно- матричных уравнений с блочно-треугольной структурой, позволяющих установить общие закономерности сложных материальных систем и создать новые высокоэффективные технологические линии на примере адаптации машин, аппаратов и биореакторов к технологическим свойствам сырья и процессам обработки.

Таблица 10.18. Структура модельной адаптации

	– нуль-граф	Образуется на множестве моделей независимых переменных (воздействий) процессов. Модели воздействия определяются в результате исследований процессов
	- двудольный граф	Устанавливает отношения между множеством независимых переменных модели , исследуемых процессов и множества переменных на модели системы управления Т, связанных единичными дугами с соответствующими переменными
	- сильно связанный двудольный граф; - сильно связанный граф	Устанавливает взаимоотношения на множестве V переменных и может иметь различную степень детализации топологии в зависимости от того, какое количество внутренних переменных включено в модель
	- двудольный граф	Устанавливает взаимоотношения между множеством. У переменных - на модели системы управления Т множеством зависимых переменных модели
	– нуль-граф	Образуется на множестве зависимых переменных

Система закономерностей преобразования пищевых сред для механических, гидромеханических, тепло- и массообменных и биотехнологических процессов (рис. 10.4) позволяет создавать новые машины и аппараты пищевых производств в виде оригинальных технических новаций, основанных на объединении и интенсификации процессов, а также разработке новых способов подвода энергии к ним.

Создание т е х н и ч е с к о й н о в а ц и и представляет собой алгоритм, состоящий из исследуемого технологического процесса, базирующийся на известных явлениях, используемых в прототипе изучаемой конструкции, базирующийся на исследуемых закономерностях, которые благодаря обратным связям позволяют создавать техническую новацию.

На алгоритм создания технической новации в значительной степени влияют способы подвода энергии (электроэнергия, конвекция, кондукция, радиация, ИК-нагрев, ТВЧ, СВЧ и др.), которые должны быть адаптированы к исходной пищевой среде (полуфабрикату) и обеспечивать создание прогнозируемого готового пищевого продукта.

Удельными характеристиками для оценки технического совершенства полученной технической новации (машины, аппарата и биореактора) могут быть: удельная масса, удельная занимаемая площадь, удельный объем, занимаемый машиной и удельный расход электроэнергии, которые позволяют создавать и внедрять техническую инновацию.

Удельная масса (удельный расход конструкционных материалов), [кг/(шт./ч)], [кг/(кг/ч)]

, (10.1)

где М – масса машины, кг; П – производительность машины, кг/ч, или кг/ч.

Удельная занимаемая площадь [м²/(шт/ч)], [м²/(кг/ч)]

, (10.2)

где L и В – длина и ширина машины, м; b – ширина проходов, необходимых для обслуживания машин, м.

Рис. 10.4. Система закономерностей преобразования пищевых сред (для механических, гидромеханических, тепло - и массообменных и биотехнологических процессов)

Удельный объем, занимаемый машиной [м³/(шт.×ч)], [м³/(кг×ч)]

, (10.3)

где Н – высота машины с учетом ремонтных работ, м.

Удельный расход электроэнергии [(кВт×ч)/кг]

. (10.4)

где N – общий расход электроэнергии, кВт.

Исходя из ф у н к ц и о н а л ь н о – т е х н о л о г и ч е с к о г о п р и н ц и п а, целесообразна следующая систематизация процессов пищевых технологий, которые основаны на разборке, сборке и комбинированной переработки сельхозсырья в машинах, аппаратах и биореакторах (рис. 10.5).

В линиях для первичной переработки сельскохозяйственного сырья технологический процесс направлен на его разделение на компоненты. Такими линиями оснащены предприятия по обработке и переработке сырья растительного (зерна, масличных семян, сахарной свеклы, картофеля, плодоовощного сырья, винограда и др.) и животного (скота, птицы, рыбы, молока и др.) происхождения. При этом номенклатура продукции является многопредметной и зависящей от числа полезных компонентов, содержащихся в исходном сырье.

В линиях для вторичной переработки сельхозсырья в ходе технологического процесса выполняется сборка сырья с целью образования многокомпонентных пищевых сред. Главные операции такой сборки – дозирование и смешивание рецептурных компонентов, а также их формование и упаковка. Продукция, выпускаемая на таких линиях, предназначена для реализации населению, поэтому оборудование в них также обеспечивает выполнение финишных операций дозирования и упаковки.

В комплексах оборудования для комбинированной переработки используется разделение пищевых сред путем разборки сельхозсырья с последующей его сборкой для образования многокомпонентных пищевых сред. При этом на определенных стадиях технологического процесса выполняются операции соединения и формования пищевых сред.

Рис. 10.5. Систематизация процессов в технологиях переработки сельхозсырья в машинах, аппаратах и биореакторах

При формировании общих групп оборудования различных линий основным объединяющим признаком является общность функций, выполняемых в процессе переработки сырья или полуфабрикатов. По этому признаку можно выделить три укрупненные группы оборудования: для ведения механических и гидромеханических процессов, для ведения тепло- и массообменных процессов и для ведения биотехнологических процессов.

С о з д а н и е о б о р у д о в а н и я д л я в е д е н и я м е х а н и ч е с к и е п р оц е с с о в базируется на законах механики твердого тела. Создание о б о р у д о в а н и я д л я в е д е н и я г и д р о м е х а н и ч е с к и х п р о ц е с с о в учитывает явления связанные с передачей количества движения в непрерывных средах, а иногда и в системах с твердыми телами.

С о з д а н и е о б о р у д о в а н и я д л я в е д е н и я т е п л о в ы х п р о ц е с с о в связано с различными формами переноса тепла, хотя в них приходится учитывать и закономерности переноса импульса и количества движения. При создании о б о р у д о в а н и я д л я в е д е н и я м а с с о о б м е н н ы х п р о ц е с с о в происходит перенос вещества, однако зачастую необходимо учитывать перенос импульса, а также и перенос теплоты.

С о з д а н и е о б о р у д о в а н и я д л я в е д е н и я б и о т е х н о л о-г и ч е с к и х п р о ц е с с о в базируется на законах биохимии и микробиологии, здесь могут происходить превращения вещества на основе химических реакций.

Оборудование для ведения механических и гидромеханических процессов:

оборудование для мойки сельскохозяйственного сырья (машины для мойки зерна, сахарной свеклы, плодов и овощей, туш животных и т.п.);

оборудование для очистки и сепарирования сыпучего сельскохозяйственного сырья (скальператоры и камнеотдельтельные машины, воздушно-ситовые сепараторы и просеиватели, триеры, падди-машины, воздушные и магнитные сепараторы и т.п.);

оборудование для инспекции, калибрования и сортирования штучного сельскохозяйственного сырья (оборудование для инспекции пищевого растительного сырья, калибровочные машины, машины для сортирования пищевого сырья и т.п.);

оборудование для разборки растительного и животного сырья (обоечные и щеточные машины, машины для шелушения и шлифования зерновых культур, бичерушки, гребнеотделители, машины для очистки картофеля и корнеплодов, для отделения шелухи и плодоножек, протирочные машины, установки для снятия шкур с животных, оперения с птиц, чешуи с рыбы, машины для разделки птицы и рыбы и т.п.);

оборудование для измельчения пищевых сред (вальцовые станки; дробилки; мельницы; плющильные машины; резательные машины, свеклорезки; мясорубки, волчки и куттеры, гомогенизаторы и т.п.);

оборудование для сортирования и обогащения сыпучих продуктов измельчения пищевых сред (рассева, ситовеечные машины, вымольные машины и виброцентрофугалы, энтолейторы и деташеры, дробильно-сортировочные машины и т.п.);

оборудование для разделения жидкообразных неоднородных пищевых сред (отстойники, центрифуги, сепараторы, фильтры и фильтрующие устройства, мембранные модули и аппараты, прессы и т.п.);

оборудование для смешивания пищевых сред (мешалки для жидких пищевых сред, месильные машины для высоковязких пищевых сред, машины и аппараты для образования пенообразных масс, смесители для сыпучих пищевых сред и т.п.);

оборудование для формования пищевых сред (отливочные машины, штампующие машины, машины для формования пластичных масс выпрессовыванием, для формования в оболочке, отсадочные машины, раскаточные и калибрующие машины, округлительные, закаточные и обкаточные машины, машины для нарезания заготовок и изделий, машины для формования сыпучих материалов и т.п.).

Оборудование для ведения тепло-и массообменных процессов:

аппараты для темперирования, повышения концентрации и экструдирования пищевых сред (аппараты для нагревания, уваривания и варки пищевых сред, выпарные аппараты и установки, развариватели крахмалосодержащего сырья, заторные и сусловарочные аппараты, ошпариватели и бланширователи для фруктов и овощей, автоклавы, пастеризаторы и стерилизаторы, экструдеры и т.п.);

аппараты для сушки пищевых сред (шахтные и рециркуляционные зерносушилки, барабанные сушильные агрегаты, конвейерные сушилки, агрегаты с кипящим и виброкипящим слоями, распылительные сушилки, вакуум-сублимационные сушилки, микроволновые сушильные установки и т.п.);

оборудование для ведения процессов выпечки и обжарки пищевых сред (печи с канальным обогревом, с комбинированной системой обограва, туннельные печи с канальным рециркуляционным обогревом, печи с электрообогревом, оборудование для шпарки и опаливания,обжарочные аппараты, печи для запекания и жаровни, СВЧ-установки для обработки сырья и полуфабрикатов и т.п.);

аппараты для охлаждения и замораживания пищевых сред (охладительные установки и охладители, камеры охлаждения и замораживания, морозильные аппараты, фризеры, эскимо- и льдогенераторы, установки криогенного замораживания и т.п.);

аппараты для ведения процессов диффузии и экстракции пищевых сред (аппараты для получения диффузионного сока, установки для получения настоек и морсов, аппараты для экстракции растительного масла, аппараты для получения экстрактов из животного сырья и т.п.);

оборудование для ведения процессов кристаллизации пищевых сред (вакуум-аппараты, помадосбивальные машины, кристаллизаторы-охладители, маслоизготовители и маслообразователи, кристаллизаторы и декристаллизаторы жировой продукции и т.п.);

оборудование для ведения процесса ректификации пищевых сред (брагоперегонные установки, ректификационные установки, брагоректификационные установки непрерывного действия, установки для получения абсолютного спирта и т.п.);

Оборудование для ведения биотехнологических процессов:

оборудование для ведения процессов ферментации (солодорастильные установки, дрожжевые и дрожжерастильные аппараты, ферментаторы и биореакторы и т.п.);

оборудование для брожения пищевых сред (аппараты для брожения и дображивания пива, оборудование для сбраживания сусла при производстве спирта, аппараты для сбраживания сусла при производстве вина, оборудование для брожения квасного сусла, агрегаты для брожения опары и теста, оборудование для свертывания молока и обработки сгустка, аппараты для получения заквасок и производства кисломолочных напитков);

аппараты для созревания пищевых сред (оборудование для созревания пива, аппараты для массирования и созревания мяса, сливкосозревательные аппараты и творожные ванны, машины для изготовления и созревания сыров и т.п.);

оборудование для копчения пищевых сред (автокоптилки и коптильные установки, универсальные и автоматизированные термокамеры, термоагрегаты и т.п.).

В общем случае при а д а п т а ц и и м а ш и н, а п п а р а т о в и б и о р е а к т о р о в к т е х н о л о г и ч е с к и м с в о й с т в а м с ы р ь я и п р о ц е с с а м о б р а б о т к и в применяются уравнения баланса. Эти уравнения отражают законы сохранения энергии, вещества и количества движения. Однако возникают ситуации, когда непосредственное использование закона сохранения становится затруднительным. Например, если происходит химическая реакция, то масса вещества, для которого записывается баланс, не сохраняется, так как это вещество может в ходе реакции либо исчезать, либо возникать. Методика составления балансового уравнения состоит из следующих этапов:

- выбирается субстанция, для которой необходимо составить балансовое уравнение;

- устанавливается пространственная область, для которой составляется баланс;

- определяется временной интервал, для которого составляется балансовое уравнение;

- на основе закона сохранения записывается уравнение баланса.

Баланс импульса (количества движения) составляется, в основном, при изучении механических и гидромеханических процессов. Если эти балансовые выражения отнести к единице времени, то они приобретают форму балансов взаимодействующих сил. Обычно причина появления внешних массовых сил лежит за пределами выделенного контура. Внутри контура они трактуются как источники или стоки импульса. Поэтому в этом случае говорят не о накоплении, а о результате. Здесь под результатом понимается изменение ситуации под влиянием равнодействующих сил.

При составлении энергетического баланса, в качестве субстанции стараются выделять какой-либо один вид энергии. Когда это невозможно, составляется полный энергетический баланс.

При адаптации машин, аппаратов и биореакторов к технологическим свойствам сырья и процессам обработки пищевых сред балансовые уравнения используются в следующих целях: для проверки сходимости баланса; для нахождения какой-либо составляющей балансового отношения при известных других его составляющих; для определения функциональной связи между составляющими балансового уравнения.

В инженерных расчетах, связанных с конструированием новых процессов и аппаратов пищевых производств, конечной целью является определение расхода рабочей среды, воздействующей на объекты обработки; определение расхода энергии на выработку продукции; нахождение продолжительности самого процесса обработки объекта; основные размеры и количество необходимых аппаратов.

При конструировании новых аппаратов необходимо определять близкие к оптимальным параметры технологического процесса на основе изучения статических и кинетических зависимостей взаимодействующих частей системы и с учетом закономерностей протекающих процессов и свойств объектов обработки. Необходимо выбрать также наиболее рациональный способ ведения процесса. Только после этого разрабатывается схема аппарата, определяются его размеры и производительность. От выбора технологических параметров и способа ведения процесса зависит будущая эффективность работы оборудования.

Оптимизация связей между технологическими свойствами сырья и параметрами обработки является главной задачей адаптации технологических процессов в машинах, аппаратах и биореакторах.

* * *

Таким образом, адаптация машин, аппаратов и биореакторов к технологическим свойствам сырья и процессам обработки должна рассматривается как реакция системы к изменяющимся внешним и внутренним условиям, которая необходима для ее стабильного функционирования. При этом адекватное формирование концепции развития конструкций машин, аппаратов и биореакторов должно базироваться на соблюдении критериев гибкости, устойчивости и приспосабливаемости, отражающих образ сходящейся спирали развития соответствующей машинной технологии.