Процессы адресной доставки энергии и тепломассопереноса в системах с нано-, микро- и макроэлементами

Полный текст

Введение

Производство пищевых продуктов питания в странах с развитой экономикой характеризуется показателем энергоемкости¹. Выбросы и отходы от производства продуктов питания загрязняют атмосферу и окружающую среду. В то же время технологии производства пищевых продуктов значительно отстают в практической реализации проектов инновации от других секторов экономики [1; 2]. При этом проблемы пищевых энергетических технологий в мире комплексно не решаются.

Сырье для производства пищевых продуктов специфичное. Состоит из макро- и микроэлементов и элементов наноразмерного типа. Более того, пищевые технологии нацелены именно на объекты микро- и наноразмерного типа. Эти объекты обладают большим диффузионным сопротивлением и определяют энергоемкость технологии, соотношение использованного сырья, а также сохранение пищевого потенциала. В связи с этим в отходах остается до 15–20 % целевых компонентов, которые находятся в микро- и нанокапиллярах и не извлекаются традиционными технологиями. Использование новых технологий в пищевой перерабатывающей промышленности даст возможность создавать новые продукты, принципиально отличающиеся от известных аналогов. Производство современных технологий должно учитывать всесторонний анализ энергетических, биотехнологических и теплофизических явлений. Основными процессами в пищевых технологиях являются процессы тепло- и массообмена, которые необходимо интенсифицировать. Эти процессы охватывают энергетику и качество пищевого готового продукта.

Цель исследования – анализ механизмов и моделирование кинетики тепломассопереноса в микроволновом поле (МВ-поле) в технологиях комплексной переработки пищевого сырья.

Обзор литературы

Этап развития общества неразрывно связан с ростом потребления энергоресурсов и снижением их запасов². В таких условиях возрастает роль экономически полезного расхода энергии, повышения энергетического коэффициента полезного действия инновационных технологий. В пищевых технологиях (ПТ) больше всего расходуется энергетических ресурсов, в основном в пищевом производстве происходит термическая обработка сырья [3]. А эффективность использования энергетических ресурсов и сырья остается на низком уровне [4; 5]. Если сравнить количество энергии, получаемое человеком с пищей, с затратам на ее производство, то получим энергетический КПД, который не превысит 10 % [6].

При снижении количества потребляемой энергии наблюдается повышение энергетического КПД ПТ, снижение себестоимости готового продукта и степени термического воздействия на него, а также сохранение термолабильных и биологически активных компонентов сырья.

Для ПТ характерны научные и технические противоречия. Известен факт, что при повышении температуры интенсифицируются процессы тепломассопереноса, но также происходит снижение пищевой ценности продукта вследствие разрушения функциональных компонентов сырья [7–9]. Известные технологии не позволяют разрешить эти противоречия.

Важным фактором ПТ является экологическая безопасность производства продукта. При производстве в отходах ПТ содержится большое количество нужных компонентов, экономическая ценность которых в разы больше стоимости готового продукта. Традиционные технологии не позволяют их извлекать, потому что они находятся внутри клеток (размеры оболочек от 7 до 30 нм), в капиллярах сырья (размер от 5 нм).

Чтобы отходы пищевых технологий являлись полноценными источниками пищи, нужно разрабатывать инновационные и экономически эффективные принципы организации процессов ПТ. Предлагается процессы стерилизации, экстрагирования, биотехнологий, сушки, сокоотдачи и прочие осуществлять с помощью технологий адресной доставки энергии (АДЭ). Осуществляемые принципы при переводе пищевого производства на технологии АДЭ позволят в разы снизить энергоемкость, степень воздействия температур на пищевое сырье и готовый продукт, а также получить новые продукты, принципиально отличающиеся от аналогов.

Многие ученые занимаются поиском инновационных средств обработки пищевого сырья. К таким средствам относятся электрические и электромагнитные интенсификаторы. Наиболее мощными и энергоэффективными являются микроволновые (МВ) генераторы [10–12]. Инновационные технологии применения МВ-поля известны в мире и активно исследуются при выпаривании продуктов [13–15]. В Китае создана сушильная установка с МВ-подводом энергии для производства яблочных чипсов [16–18]. В Аргентине получены образцы сушеного картофеля и сушеной моркови в условиях МВ-поля при атмосферном давлении, при t до 30 °С в вакууме до 3 кПа [19–21]. В Турции проводились исследования процессов экстрагирования фенолов из черники в состоянии порошка 60-процентным водным раствором этанола [22–24]. По результатам исследований получили 87-процентный экстракт.

Результаты этих исследований доказывают перспективность новых средств обработки пищевого сырья. Следует ожидать повышение показателей конечных концентраций при выпарке, снижение t обработки продукта, уменьшение экономических и энергетических затрат.

В статье определены задачи решения перечисленных проблем. Научная гипотеза работы – реализация эффекта адресной доставки энергии к необходимым элементам сырья при взаимодействии с электромагнитным полем [25–27].

Материалы и методы

Принятую классификацию процессов на механические, гидродинамические, тепловые и массообменные предлагается дополнить гибридными процессами, результат которых определяется последовательным действием нескольких движущих сил. Комбинация тепловых, гидродинамических и диффузионных движущих сил при их согласованном действии способна решать проблемные вопросы обработки сырья, в первую очередь пищевого. На основе предложенной концепции формулируются гипотезы (табл. 1).

 

Таблица 1 Энергетические и технологические противоречия пищевых производств

Table 1 Energy and technological contradictions in food production

 

№	Задача / Task	Традиционные решения / Traditional solutions	Гипотезы / Hypotheses
1	Выпаривание растворов / Evaporation of solutions	Энергия подводится непосредственно к раствору теплопередачей / The energy is brought directly to the solution by heat transfer	Возможности АДЭ непосредственно к растворителю / Possibilities of targeted energy delivery directly to the solvent
2	Сушка сырья/ Raw material drying	Энергия направляется к промежуточному потоку, который в свою очередь трансформирует влагу в пар / The energy is directed to the intermediate stream, which in turn transforms the moisture into steam	Возможности АДЭ непосредственно к влаге в объеме продукта / Possibilities of targeted energy delivery directly to the moisture in the product volume
3	Сушка сырья / Raw material drying	Удаляемая влага из продукта переходит в паровую фазу / Moisture removed from the product passes into the vapor phase	Возможности удаления влаги в виде двухфазного потока / Moisture removal capabilities in the form of two-phase flow
4	Извлечение целевых компонентов / Extraction of target components	Растворение компонента с помощью экстрагента и с помощью процесса диффузии в экстракт / Dissolution of a component using an extractant and using a diffusion process into the extract	Возможности перехода целевых компонентов из межклеточного пространства, а также из клеток нерастворимых компонентов / Possibilities of transferring target components from intercellular space as well as from cells of insoluble components

Примечание: таблица составлена по материалам статьи О. Г. Бурдо [28]

Note: Table was compiled based on the materials of the article by O. G. Burdo

 

 

Рассмотрим процесс тепломассопереноса с позиций классического уравнения Фика:

$\frac{dC}{d\tau }=D\frac{{\partial }^{2}C}{\partial x^2}+\frac{\partial C}{\partial x}{w}_X$ .        (1)

Первое слагаемое в (1) – это вялый процесс, воздействовать на который в условиях микро- и наномасштабных структур не удается. Ставится задача активизировать возможности второго слагаемого и организовать транспорт компонентов из капилляров за счет гидродинамической движущей силы, увеличить скорость потока w_x. Эта движущая сила определяется разностью давлений внутри капилляра и в среде. Но классическое уравнение гидравлики дополняется гидравлическим сопротивлением микроканала (диаметр d), вызванным силами поверхностного сопротивления σ:

$\Delta P=\frac{\rho \cdot w^2}{2}\left[\frac{\lambda \cdot l}{d}+{\displaystyle \sum \xi }\right]+\rho \cdot gl+\frac{\sigma }{d}$ . (2)

Запустить процесс транспортировки содержимого капилляров предложено с помощью электромагнитных источников энергии. Их влияние в уравнении энергии отражается как действие внутренних распределенных источников, мощность которых N в объеме V:

$\begin{array}{r}\frac{\partial t_1}{\partial \tau }=a_1\left(\frac{{\partial }^2{t}_1}{\partial r^2}+\frac{1}{r}\frac{\partial t_1}{\partial r}+\frac{1}{r^2}\frac{{\partial }^2{t}_1}{\partial {\varphi }^2}+\frac{{\partial }^2{t}_1}{\partial z^2}\right)+\\ +\frac{N\eta }{V_1{c}_{1V}{\rho }_1}.(3)\end{array}$

Индекс (1) в соотношении (3) относится к раствору в капилляре. Энергия поля избирательно поглощается полярными молекулами раствора. Максимальная температура окажется в глубине капилляра, там, где термическое сопротивление к среде максимально. Такое точечное повышение температуры приведет к локальному образованию паровой фазы, резкому росту давления в глубине капилляра, инициирует гибридный поток, который и выбрасывает содержимое через открытый торец в среду. Это явление назовем механодиффузией³ [29–31].

О. Г. Бурдо и соавторы отмечают: в связи с тем, что процесс АДЭ осуществляется гидродинамической движущей силой, которая во много раз больше традиционного диффузионного потока, возникает трудность определить влияние данного потока в традиционных уравнениях массопереноса. С помощью принципов теории подобия предлагается безразмерный комплекс – число энергетического действия B_u [28], которое отражает влияние электромагнитного поля. Число B_u отражает зависимость расходов энергии предлагаемой технологии Q и традиционной технологии: B_u = Q / Q_o. Для рассматриваемых процессов с помощью методов теории подобия установлены структуры моделей с обобщенными переменными и соотношения для расчета числа B_u (табл. 2) [28].

 

Таблица 2 Расчетные модели

Table 2 Calculation models

 

Процесс / Process	Число Вu / Number of Вu	Модель процесса / Process model
Активация и инактивация микроорганизмов / Activation and inactivation of microorganisms	Bu = N(ζVCpΔtρ)–1	Fo = ARenPrmBuk
Экстрагирование / Extracting	Bu = N(rwd2 ρ)–1	Sh = ARenScmBuk
Сушка / Drying	Bu = N(rVρ)–1	Sh = ARenScmPepBuk
Выпаривание / Evaporation	Bu = N(rVρ)–1	Bu = ARnPq
В соотношениях принято: N – мощности излучения; V – объемный расход удаляемой влаги; r – скрытая теплота фазового перехода; d – определяющий размер; ρ – плотность / The ratios assume: N – radiation power; V – volume flow rate of moisture removed; r – latent heat of phase transition; d – defining dimension; ρ – density

 

Механизмы транспортных процессов в микро- и нанокапиллярах

Предложена классификация режимов потока из микро- и нанокапиллярной структуры (рис. 1). Во-первых, это ламинарная бародиффузия, которая интенсифицирует внутридиффузионный массоперенос. Влага подается из объема сырья на поверхность фазового контакта и традиционным диффузионным потоком (диффузионное сопротивление в стесненных условиях капилляра R_c), но также бародиффузионным потоком (гидравлическое сопротивление R_b). Во-вторых, это турбулентная бародиффузия, которая интенсифицирует и внутри- и внешнедиффузионный массоперенос. В среду выносятся 2 потока: традиционный Jd и гидродинамический Jb. В-третьих, это специфичный гибридный поток, который переносит и растворимые, и нерастворимые экстрагентом компоненты («механодиффузия» [21]).

 

 

 

 

Рис. 1. Схемы транспортных процессов при бародиффузии: a) ламинарная; b) турбулентная

Fig. 1. Schemes of transport processes during barodiffusion: a) laminar; b) turbulent

 

Результаты исследования

Гипотеза доказана экспериментально. Исследования проводились на модели сырья (рис. 2). Капилляр заполняли водой, которая подкрашивалась чернилами. В оболочке сырья содержалось 3 капилляра. Модель сырья (оболочка с капиллярами) располагалась в термостате и в камере с МВ-генератором (рис. 2). Схема установки и результаты процесса бародиффузии показаны на рисунке 2.

 

 

 

Рис. 2. Модель сырья в МВ-камере

Fig. 2. Model of raw materials in the MV-chamber

 

 

Анализ результатов представлен в таблице 3.

Таблица 3 Результаты визуального исследования

Table 3 Results of visual studies

 

№	Стенд / Stand	Время, с / Time, s	Температура, °С / Temperature, °С	Характеристики процесса / Process features
1	Термостат / Thermostat	7 200	90	Из капилляров испарилось около 1 % воды. Чернила не выходили / About 1% of the water evaporated from the capillaries. The ink did not come out
2	МВ-камера / МВ-camera	16	66	Наблюдалось вытекание подкрашенной жидкости из капилляра 1, появление пузырьков пара в капиллярах 2 и 3 / Dyed liquid leaked from capillary 1, vapor bubbles appeared in capillaries 2 and 3
		36	66	Капилляр 1 оказался пустым / Capillary 1 was empty
		56	66	Наблюдалось вытекание подкрашенной жидкости из капилляров 2 и 3 / Dyed liquid was observed leaking from capillaries 2 and 3
		74	66	Все капилляры оказались пустыми / Все капилляры оказались пустыми

 

Стендовые испытания микроволнового вакуум-выпарного аппарата

Проведение процесса выпаривания при ГУ 2 рода (в отличии от 1 и 3 рода в традиционных аппаратов) предопределяет преимущества: возможность получения высококонцентрированных растворов. В инновационных аппаратах нет классической теплопередачи, нет проблемы пограничного слоя. Непосредственный, адресный, подвод энергии к жидкой фазе сырья дает возможность получения в аппарате твердой фазы. Это принципиально новые возможности процесса обезвоживания. Скорости выпаривания при постоянной мощности поля зависят только от типа растворителя.

Определено, что скорость влагоизвлечения в спиртосодержащих системах в 2,0–2,5 раза выше, чем в водорастворимых, а в растворах на основе ацетона – в 5 раз. Давление в системе не превышало 10 кПа, что обеспечило процесс выпаривания при относительно низкой температуре 20–45 °С. Конечная концентрация сухих веществ дошла до 80–95 °brix, это выше на 20–25 %, по сравнению с известными установками.

В качестве базовых значений принято: давление P_o = 10 кПа; теплота фазового перехода R_o = 525 кДж/кг.

Обсуждение и заключение

В статье с помощью видеосъемки доказан факт существования гидродинамического потока из каналов капилляров сырья.

Подтверждена гипотеза, сформулированная выше, что центры парообразования образуются в глубине капилляров. Установлено, что первоначально образуются центры парообразования в каналах капилляров, расположенных близко к генератору энергии.

Установлено, что процессом образования бародиффузионного потока, а также его мощностью возможно управлять. Факторами для управления процессом являются мощность и направленное электромагнитное излучение, при условии их согласования со структурой сырья и диаметрами капилляров.

Также видеосъемка доказывает, что характер потока отличается от классической бародиффузии. Большая концентрация электромагнитной энергии в точке объема капилляра практически приводит к фазовому переходу, ускоренному росту объема пара и моментальному видоизменению гидродинамической ситуации в капилляре. В результате происходит резкий выброс содержимого капилляра и, следовательно, разрыв клеточной оболочки с выбросом содержимого клетки.

Для наноиндустрии созданы образцы техники, которые реализуют эффект «механодиффузии». Разработан новый класс тепломассообменного оборудования – электродинамические аппараты. Получены совершенно новые результаты по интенсификации тепломассопереноса. Предложенные экспериментальные результаты предполагают, что при организации процессов адресной доставки энергии с привлечением импульсного МВ-поля поток из капилляров и нанокапилляров инициируется гораздо быстрее. Важное преимущество электродинамических экстракторов – возможность получения полиэкстрактов.

Проведение процесса выпаривания при ГУ 2 рода (в отличии от 1 и 3 рода в традиционных аппаратов) предопределяет преимущества: возможность получения высококонцентрированных растворов. В инновационных аппаратах нет классической теплопередачи, нет проблемы пограничного слоя. Непосредственный, адресный, подвод энергии к жидкой фазе сырья дает возможность получения в аппарате твердой фазы. Это принципиально новые возможности процесса обезвоживания. Скорости выпаривания при постоянной мощности поля зависят только от типа растворителя.

Пищевые технологии с организацией процессов адресной доставки энергии при выпарке, сушке и экстрагировании являются ресурсо- и энергоэффективными и обеспечивают полное сохранение потенциала сырья.

 

 

¹           Gabor D., Colombo U., King A. S. Beyond The Age of Waste: a Report to the Club of Rome. Elsevier, 2016. 258 p. URL: Available at: https://www.elsevier.com/books/beyond-the-age-of-waste /gabor/978-0-08-027303-7 (дата обращения: 27.09.2022) ; Рынок нано: от нанотехнологий к нанопродуктам / Г. Л. Азоев [и др.]. М. : БИНОМ, 2011. 319 с.

²           Gabor D., Colombo U., King A. S. Beyond The Age of Waste…

³           Gremenok V. F. Thin Film Solar Cells Based on Cu (In, Ga) Se2 // ECOBALTICA № 2008: Proceedings of the VI International Youth Environmental Forum. 2006. P. 24–28.

 

Об авторах

Александр Викторович Гаврилов

Агротехнологическая академия КФУ имени В. И. Вернадского

Автор, ответственный за переписку.
Email: tehfac@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3382-0307
ResearcherId: AAH-5137-2019

кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства

Россия, 295492, г. Симферополь, пос. Аграрное

Юрий Борисович Гербер

Агротехнологическая академия КФУ имени В. И. Вернадского

Email: gerber_1961@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3224-6833
ResearcherId: B-6690-2019

доктор технических наук, заместитель директора, заведующий кафедрой технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства

Россия, 295492, Российская Федерация, г. Симферополь, пос. Аграрное

Список литературы

Дополнительные файлы