SELECTION OF PARAMETERS FOR HYDRODYNAMIC INSERT OF MEMBRANE UNIT FOR PROCESSING OF FARM ANIMALS BLOOD
Authors:
1.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology
2.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology
3.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology
4.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology
5.
Fundacion Technova
6.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology
Type:
Article
Pages:
from 106
to 112
Status:
Published
Received:
25.12.2014
Accepted:
25.12.2014
Published:
25.12.2014
Subject area:
UDK 621.512.8
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Membrane methods, conical insert, mathematical model, a continuous flow, loss of pressure, blood
Abstract (English):
The existing requirements in functional foods and health-care preparations make it possible to create production enterprises focused on complex processing of farm animals blood. Membrane techniques are effective in a number of processes associated with concentration, purification and fractionation of liquid foods. The use of membrane techniques enables to create a highly efficient and economical low-waste technology for processing of raw materials of animal origin, contributes to the improvement of foodsquality, their biological value and more complete processing and use. In the present paper, physical and chemical properties of blood of cattle and pigs have been studied. The blood density and viscosity, the chemical composition of animal blood have been determined. High protein content has been revealed. To filter blood a membrane unit consisting of a cylinder shaped body is used. There is a semi-permeable membrane inside the body. The membrane has an insert. There are holes that are equidistant from each other on the side surface of the insert to release the feed solution into the membrane channel. Each hole creates a directed flow and increases the turbulence within the membrane channel. A new approach to the insert modeling has been proposed. A program based on the analytical model to study a required number of holes at minimum pressure loss has been created. The input data for modeling are geometrical parameters of the insert, the number of holes, the medium rate, the inlet pressure, the medium density and viscosity. It has been established that the pressure loss increases with the number of holes. Thus, seven holes in a conical insert are proved the most rational number.
The existing requirements in functional foods and health-care preparations make it possible to create production enterprises focused on complex processing of farm animals blood. Membrane techniques are effective in a number of processes associated with concentration, purification and fractionation of liquid foods. The use of membrane techniques enables to create a highly efficient and economical low-waste technology for processing of raw materials of animal origin, contributes to the improvement of foodsquality, their biological value and more complete processing and use. In the present paper, physical and chemical properties of blood of cattle and pigs have been studied. The blood density and viscosity, the chemical composition of animal blood have been determined. High protein content has been revealed. To filter blood a membrane unit consisting of a cylinder shaped body is used. There is a semi-permeable membrane inside the body. The membrane has an insert. There are holes that are equidistant from each other on the side surface of the insert to release the feed solution into the membrane channel. Each hole creates a directed flow and increases the turbulence within the membrane channel. A new approach to the insert modeling has been proposed. A program based on the analytical model to study a required number of holes at minimum pressure loss has been created. The input data for modeling are geometrical parameters of the insert, the number of holes, the medium rate, the inlet pressure, the medium density and viscosity. It has been established that the pressure loss increases with the number of holes. Thus, seven holes in a conical insert are proved the most rational number.
Keywords:
Membrane methods, conical insert, mathematical model, a continuous flow, loss of pressure, blood
Membrane methods, conical insert, mathematical model, a continuous flow, loss of pressure, blood
Введение Комплексное использование вторичных сырьевых ресурсов и промышленных отходов переработки сельскохозяйственного и пищевого сырья является наиболее важным аспектом для повышения эффективности агропромышленного производства. Отходы, которые остаются после использования сырья и вспомогательных производственных материалов, а также побочная и попутная продукция, которая получается в процессе производства параллельно с основной или в результате дополнительной промышленной обработки отходов, мы и называем вторичным сырьевым ресурсам. Комплексная переработка продовольственного сырья позволит более полно использовать сырьевые ресурсы и дополнительно произвести на 20-30 % больше продуктов питания. Рациональное использование вторичных сырьевых ресурсов способствует сохранению экологического потенциала, повышению эффективности сельского хозяйства[1]. Кровь сельскохозяйственных животных представляет собой ценное белоксодержащее сырье. Кровь состоит из клеток - форменных элементов и жидкого межклеточного вещества - плазмы. К форменным элементам относятся эритроциты (красные кровяные клетки), лейкоциты (белые кровяные клетки) и тромбоциты (кровяные пластинки). Соотношение плазмы и форменных элементов в составе крови различных животных неодинаково: в крови крупного рогатого скота плазмы 63% и форменных элементов 37%, у мелкого рогатого скота - соответственно 72 и 28%, у свиней - 56 и 44% [2]. Кровь является ценным источником полноценных белков, в котором содержатся все незаменимые аминокислоты. По аминокислотному составу наибольшую ценность имеет белок фибрин, в нем содержится 3,5 % триптофана, 7 % фенилаланина, 2,6 % метионина. В меньшем количестве незаменимые аминокислоты входят также в состав сывороточного глобулина и альбумина. В альбумине, глобулине и фибрине содержатся все незаменимые аминокислоты, следовательно, они являются полноценными белками. Химический состав крови зависит от вида, возраста, упитанности и условий предубойного содержания животных [3,4]. Содержание воды в плазме крови животных составляет около 90-91 %. Основная масса сухого остатка состоит из белков, содержание которых в плазме достигает 7-8 %. Выделение белков плазмы представляет собой довольно сложную задачу ввиду их высокой фракционности. Белки плазмы подразделяются на пять основных фракций: фибриноген, альбумин, α-глобулин, β-глобулин и γ-глобулин, различающихся по своим физико-химическим свойствам и аминокислотному составу. Особенности свойств плазмы крови сельскохозяйственных животных обусловлены в первую очередь различным соотношением входящих в ее состав белков, среднее содержание которых приведено в табл. 1 [1]. Таблица 1 Содержание белков в плазме крови сельскохозяйственных животных Белок Содержание в плазме, % крупного рогатого скота баранов и коз свиней Фибриноген 7,92 6,17 8,51 Альбумин 48,15 46,25 30,58 Глобулины 43,93 47,58 60,91 Главным образом кровь перерабатывают на пищевые и технические продукты, преследуя ряд целей. Во-первых, это предотвращение ее свертывания, применение к ней консервирования, а также фракционирование. Каждый вариант переработки имеет свои преимущества и недостатки, что требует дополнительного анализа. Есть несколько способов переработки крови: -стабилизация и дефибринирование крови; - сепарирование крови; - обесцвечивание крови; - коагуляционное осаждение белков крови; - консервирование крови и ее компонентов; - замораживание крови; -сушка крови; - ультрафильтрация плазмы (сыворотки) крови; - фильтрование крови мембранным способом. Мембранные методы эффективны в ряде процессов, связанных с концентрированием, очисткой и фракционированием жидких пищевых продуктов [7]. Использование мембранных методов позволяет создать экономически высокоэффективные и малоотходные технологии переработки сырья животного происхождения, способствует улучшению качества пищевых продуктов, их биологической ценности и более полной переработке и использованию. Мембранные методы характеризуются сравнительно низкими энергетическими затратами и экологичностью. Важной задачей остается повышение эффективности мембранных методов путем разработки нового мембранного оборудования [8,9]. Для повышения производительности аппарата разрабатывают методы удаления с поверхности мембраны слоя задерживаемых веществ. Целью настоящего исследования является изучениефизико-химических свойств крови сельскохозяйственных животных и определение рационального значения конструктивных параметров конической вставки мембранной установки для фильтрации крови. Объект и методы исследования Объектом исследования является кровь сельскохозяйственных животных крупнорогатого скота и свиней. Для фильтрования крови разработана новая модель мембранного аппарата (рис. 1), который содержит корпус, выполненный в виде цилиндра. С одной стороны корпуса располагается патрубок для подачи жидкой среды, с другой - патрубок для отвода конечного продукта. На внешней стенке корпуса находится патрубок для отвода фильтрата. Внутри корпуса располагается коаксиально полупроницаемая мембрана. В мембране имеется вставка. На боковой поверхности вставки расположены отверстия, равноудаленные друг от друга, для выхода исходного раствора в мембранный канал. Каждое отверстие создает направленный поток и увеличивает турбулизацию внутри мембранного канала. Мембранный аппарат работает следующим образом. Исходный раствор под давлением подается через патрубок 1 во внутренний канал вставки 6. Раствор выходит через отверстия 7 по всей длине вставки, создавая направленный поток к внутренней поверхности мембраны 5. Под действием давления происходит процесс разделения на мембране. При этом на внутренней поверхности мембраны формируется слой осадка, который снижает производительность процесса. Направленный поток раствора увеличивает турбулизацию внутри мембранного канала, что способствует снижению толщины слоя осадка. Прошедший через мембрану фильтрат отводится через патрубок 3. Оставшаяся часть исходного раствора отводится через патрубок 2. Коническая вставка с отверстиями на боковой поверхности (рис. 2) установлена в цилиндрическом канале полупроницаемой керамической мембраны с целью изменения гидродинамических условий, позволяющих провести удаление слоя задерживаемых веществ на поверхности мембраны. Рис. 1. Мембранный аппарат: 1 - патрубок для подачи жидкой среды; 2 - патрубок для отвода конечного продукта; 3 - патрубок для отвода фильтрата; 4 - корпус; 5 - коаксиально полупроницаемая мембрана; 6 - вставка; 7 - отверстия Рис. 2. Расчетная схема гидродинамической вставки: L-длина конической вставки,Q- раздаваемый расход, q- удельный расход Определение содержания сухих веществ производили на рефрактометре ИРФ-454Б2М. Пробу предварительно разбавляли водой. Результат умножали на коэффициент разведения. Массовую долю влаги определяли по ГОСТ Р 51479-99. Содержание белка определяли на анализаторе общего азота (белка) RAPID N ELEMENTAR, работающего по методу Дюма - сжигание пробы с регистрацией общего азота на детекторе теплопроводности. Для определения белка на анализаторе пробу капсулировали, при этом точность анализа составила 0,5 %. Плотность плазмы крови определялипо способу Филлипса и Ван-Слайка. Определение вязкости крови основано на сравнении скорости продвижения крови и дистиллированной воды в одинаковых капиллярах в вакууме при комнатной температуре. Определение вязкости крови проводится на специальном приборе - вискозиметре. Результаты исследования и их обсуждение Ввиду того что кровь является жидкой средой с высокой долей влаги, содержит белки, железосодержащие элементы и ряд других компонентов, оказывающих непосредственное влияние на эффективность фильтрования, необходимо знать ее физико-химические свойства (характеристики). Кровь является коллоидно-полимерным раствором: растворитель - вода, растворимые вещества - неорганические вещества и низкомолекулярные органические соединения, коллоидные - белки и их компоненты. Поэтому кровь обладает свойствами, присущими этому виду растворов. Плотность крови крупного рогатого скота и свиней представлена в табл. 2. Таблица 2 Плотность крови различных животных Вид скота Плотность, кг/м3 Крупный рогатый скот 1055±52 Свиньи 1049±52 Вязкость крови является важной характеристикой. Обусловлена наличием белков, а особенно эритроцитов, которые при движении преодолевают силы внешнего и внутреннего трения, обозначаемого понятием «вязкость». Она колеблется в зависимости от содержания кровяных телец и процента сухого остатка. Вязкость крови крупного рогатого скота и свиней представлена в табл. 3. Таблица 3 Относительная вязкость крови различных животных Вид скота Вязкость, Па∙с Крупный рогатый скот Свиньи 5,0±0,5 4,0±0,5 Результаты исследований физико-химических характеристик крови сельскохозяйственных животных достоверно соотносятся с ее составом. Также можно отметить систематические различия в значениях плотности и вязкости крови для различных групп животных. Изучение химического состава крови крупного рогатого скота и свиней (табл. 4) показало, что для крови крупного рогатого скота характерны более высокие показатели содержания общего белка. Значения активности воды для крови каждого вида животного находятся на довольно высоком уровне, что подтверждает высокую склонность к порче без применения дополнительного консервирования. Таким образом, по результатам исследований физико-химических показателей крови рассматриваемых сельскохозяйственных животных можно констатировать факты и закономерности, которые необходимо учитывать и отслеживать при исследовании процесса фильтрования. Для выбора рациональных параметров конической вставки мембранной установки использовали аналитическое моделирование. Модель представляет собой аналог определенного фрагмента природной или социальной реальности, являющейся оригиналом модели. Модель может служить для хранения и расширения знания об оригинале, преобразования или управления им. Замещение оригинала моделью производится с целью упрощения, удешевления, ускорения, фиксации или изучения свойств оригинала. Таблица 4 Химический состав крови сельскохозяйственных животных Показатель Величина кровь КРС кровь свиньи Массовая доля влаги, % 81,0±4,0 79,0±3,95 Сухие вещества, всего, % 19,0±0,95 21,0±1,05 Сухие вещества органические, за исключением общего белка (жиры, углеводы, витамины), % 1,0±0,05 1,0±0,05 Общий белок, % 18,5±0,93 16,7±0,83 Сухие вещества неорганические, % 1,3±0,07 1,5±0,08 рН 7,55±0,37 7,85±0,39 Активность воды 0,99±0,05 0,99±0,05 Аналитическое моделирование - своеобразный математический подход в процессе исследования систем различной природы. Его цель - получение максимально точных решений. Сам процесс аналитического моделирования разбивается на три этапа. На первом этапе формируются математические зависимости, которые связывают отдельные объекты системы. Эти законы и зависимости формализуются в виде некоторых функциональных соотношений (алгебраических, дифференциальных и т.д.). На втором этапе осуществляется решение уравнений и получение теоретических результатов. Для этого могут быть привлечены вычислительная техника и соответствующие технологии. На третьем этапе проводится сопоставление полученных результатов с реальностью, т.е. осуществляется проверка на адекватность. Входными данными при моделировании являются геометрические параметры вставки, (d1, dn+1, L), (рис.2), количество отверстий (n), скорость движения среды (v), давление на входе во вставку(p), плотность и вязкость среды (ρ и μ). В результате реализации математической модели формируется массив скоростей и потерь давления по длине вставки. Рассмотрим зависимости, характеризующие изменения гидродинамических условий по длине конической вставки с отверстиями на боковой поверхности. Разобьем вставку по длине на n равных участков по количеству отверстий. На каждом участке исходными данными являются: v - скорость потока, м/с; р- давление, Па; L -длина вставки, м; L/n - длина участка между вставками, м; d1,d2…dn+1 - диаметры в начале и в конце участков, м. Для расчетов рационального количества отверстий написана программа в компьютерной среде MatLab 7.0. Разработанная программа позволяет просчитать потери давления при разном количестве отверстий, а именно определить, при каком количестве отверстий будут минимальные потери давления. Задача определения расхода жидкой среды и потерь давления при этом возникающих может быть сведена к расчету трубопровода с путевым расходом, т.е. трубопровода, из которого жидкость (исходная среда) раздается в ряде пунктов (отверстий в стенке вставки) по его длине. Выход жидкости происходит через отверстия и вследствие гидравлического сопротивления давление по длине потока непрерывно падает, поэтому для обеспечения равномерного отвода жидкости площадь отверстий или их число должны возрастать по мере удаления от входного сечения вставки. В качестве упрощенной расчетной схемы примем, что на каждой единице длины раздаваемый расход Q во вставке изменяется в среднем с интенсивностью (или удельным расходом) q=Q/L. Примем, что расход Q линейно изменяется от Qнв начале или во входном сечении вставки до нуля в конце длины вставки. Для точного определения потерь напора (или потерь давления) необходимо решить дифференциальные уравнения движения жидкости с переменным расходом. На первом этапе определим потери напора во вставке с непрерывной раздачей расхода при некоторых упрощающих допущениях. На некотором расстоянии x от входа во вставку рассмотрим бесконечно малый участок длиной dx , расход по которому можно считать постоянным и равным q(L-x) c учетом отведенного (затраченного) расхода qx , как произведение интенсивности разбора на длину пути движения потока. Потеря напора на элементарном участке трубопровода (точнее, вставки) длиной dx , отстоящего от входного сечения на расстоянии x выразится: dhx=λ(dx/d)(v2/2g),(1) где d - диаметр вставки, м; λ - коэффициент гидравлического трения; v-скорость потока жидкости, м/с; g-ускорение свободного падения;и на участке dx при условно постоянном расходе равном q(L-x), средняя скорость определится: v=4q(L-x)/πd2, (2) где L - длина вставки, м; q- удельный расход. Таким образом: dhx=(λ/2gd)[16q2(L-x)2 /π2d4]dx (3) и после интегрирования потери напора составят: h=0,028(λLQ2/d5) (4) где h-потери напора, d- диаметр вставки, м; Qр - расход; или потери давления: Δp=0,028(λLQ2/d5)ρg=0,275(λLQ2/d5)ρ(5) При выводе последнего выражения мы полагали, коэффициент гидравлического трения λ не изменяется, между тем, как эта величина изменяется по длине вставки соответственно зависимости λ=f(Re), но эта погрешность пренебрежимо мала, если отнести величину коэффициента гидравлического трения к средней скорости потока. С помощью разработанной программы проведенырасчеты с учетом следующих значений исходных данных: геометрические параметры вставки, dн = 6мм, dк = 1мм, L = 0…400мм, количество отверстий конической вставки n = 2…8, начальная скорость движения среды v = 5м/с, давление на входе во вставку p = 2∙105Па, плотность и вязкость среды ρ = 1000кг/м3 и μ = 0,001Па∙с. Результаты моделирования представлены на рис. 3. Анализ приведенных зависимостей показывает, что потери давления возрастают с увеличением количества отверстий. Для выбора рациональных конструктивных параметров конической вставки необходим выбор критерия оптимальности. С одной стороны, необходимо минимизировать потери давления по длине вставки, с другой - максимизировать количество отверстий, т.е. областей, которые позволяют провести очистку поверхности мембраны от задерживаемых веществ. На основании проведенных расчетов установлено, что рациональным является количество отверстий n=7. Предложенная модель дает возможность прогнозировать поведение гидродинамической среды в технологическом потоке. Таким образом, проведенные исследования показали, что кровь сельскохозяйственных животных является перспективным биотехнологическим сырьем для получения пищевой, технической и лечебной продукции. Кровь содержит высокое содержание белковых веществ, обладает свойствами коллоидных растворов. Для эффективной работы мембранной установки следует использовать коническую вставку с количеством отверстий не более семи. Рис. 3. Зависимость потерь давления по длине вставки от количества отверстий: 1 - восемь вставок, 2 - семь вставок, 3 - шесть вставок, 4 - пять вставок, 5 - четыре вставки, 6 - три вставки, 7 - две вставки В современной промышленности требуется получать сложные термически и химически лабильные органические вещества. Это обстоятельство требует «мягких» условий производства, которым в значительной мере отвечают мембранные процессы. Их внедрение позволяет интенсифицировать технологию очистки и выделения биологически активных веществ, сокращая при этом потери их активности.
1. Biohimicheskaya harakteristika al'bumina krovi uboynyh zhivotnyh (syvorotochnyy al'bumin - sorbent toksinov syvorotki krovi) // Veterinariya. Referativnyy zhurnal. - 2004. - № 1. - S. 62.
2. Bubeev, A.T. Biotehnologicheskiy sposob predvaritel'noy obrabotki krovi / A.T. Bubeev, T.E. Danilova, N.M. Tarnueva // Myasnaya industriya. - 2006. - № 2. - S. 51-53.
3. Ivanova, A.V. Issledovanie penoobrazuyuschih svoystv proteinovyh penoobrazovateley iz vtorichnogo syr'ya myasnoy promyshlennosti / A.V. Ivanova, N.V. Izgarysheva, O.V. Kriger // Tehnika i tehnologiya pischevyh proizvodstv: materialy VIII Mezhdunarodnoy konferencii studentov i aspirantov. - Mogilev, 2012. - S. 76.
4. Izgarysheva, N.V. Primenenie nekotoryh sel'skohozyaystvennyh kul'tur i plazmy krovi sel'skohozyaystvennyh zhivotnyh v tehnologii kislorodnyh kokteyley kak al'ternativnoe napravlenie ih pererabotki / N.V. Izgarysheva // Materialy III Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii prepodavateley, molodyh uchenyh, aspirantov i studentov, posvyaschennoy 50-letiyu obrazovaniya agrarnogo fakul'teta RUDN «Innovacionnye processy v APK». - M., 2011. - S. 112-113.
5. Kriger, O.V. Ispol'zovanie vtorichnyh syr'evyh resursov myasopererabatyvayuschey promyshlennosti v proizvodstve lechebno-profilakticheskih produktov protivoanemicheskogo deystviya / O.V. Kriger, A.O. Maslova, A.V. Izgaryshev // Aktual'nye problemy razvitiya pischevoy promyshlennosti i innovacionnye tehnologii pischevyh proizvodstv: materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. - Uglich, 2011. - S. 165-167.
6. Kriger, O.V. Sravnitel'nyy analiz sostava i svoystv proteinovyh penoobrazovateley iz vtorichnogo syr'ya myasnoy promyshlennosti / O.V. Kriger, N.V. Izgarysheva // Hranenie i pererabotka sel'hozsyr'ya. - 2011. - № 9. - S. 48-50.
7. Lobasenko, B.A. Razrabotka matematicheskoy modeli processa membrannogo koncentrirovaniya na osnove metodov informacionnogo modelirovaniya / B.A. Lobasenko, A.S. Shushpannikov, R.V. Kotlyarov // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. - 2013. - № 4. - S. 89.
8. Rudobashta, S.P. Matematicheskoe modelirovanie processa membrannoy distillyacii / S.P. Rudobashta, S.Yu. Mahmud // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. - 2012. - T. 55, № 11. - S. 100-103. - (Seriya: Himiya i himicheskaya tehnologiya).
9. Shalyahov, A.A. Matematicheskoe modelirovanie processa razdeleniya zhidkih smesey v membrannom module s razlichnoy organizaciey potokov / A.A. Shalyahov, V.S. Kosachev, E.P. Koshevoy // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Pischevaya tehnologiya. - 2009. - № 2-3. - S. 71-74.
