ВведениеКузбасс – богатейший угольный край и вместе с тем один из экологически неблагоприятных регионов России. Для поддержания иммунитета жителям Ке­меровской области необходимо сбалансированное питание, насыщенное необходимым количеством макро- и микроэлементов. В связи с этим возникает потребность в оборудовании для производства про­дуктов питания, содержащих комплекс необходимых для жизнедеятельности компонентов, в частности аминокислот.Ряд незаменимых аминокислот содержится в мо-лочных и сывороточных белках, которые, находясь в растворенном состоянии, легко усваиваются организмом. Молоко содержит два типа основных белков: казеин (80 %) и сывороточный белок (20 %). При производстве сыра казеин уходит в творог и отделяется от сыворотки. Затем из сыворотки отделяют сывороточный белок и очищают до различных концентраций. Сывороточные белки состоят из ряда отдельных белковых компонентов: бета-лактоглобулин, альфа-лактальбумин, иммуно-глобулины, бычий сывороточный альбумин, глико-макропептид, лактоферрин, лактопероксидаза, лизоцим [3]. Биологическая ценность сывороточных белков выше, чем у многих других высоко-качественных пищевых белков, таких как яйца, говядина или соя. Сывороточный белок богат цистеином и метионином. Важность этих серосо-держащих аминокислот заключается в поддержании уровня антиоксидантов в организме. Особую питательную и биологическую ценность имеют продукты, содержащие белки в нативном виде. Поскольку белковые вещества термолабильны, для их концентрирования в настоящее время успешно применяется мембранная технология, в частности методы ультра- и микрофильтрации [1, 2].Концентрирование смесей мембранными методами в отличие от широко применяемых методов производится без фазовых превращений и обычно при температуре окружающей среды. Белок в процессе концентрирования продукта не претерпевает изменений, сохраняет натуральную форму и, соответственно, полезные свойства, чего нельзя отнести к белковым концентратам, полученным стандартными методами. Кроме того, применяемая в мембранных методах аппаратура проще, компактнее и дешевле. Следует отметить, что мембранные методы в ряде случаев оказываются не только более экономичными и менее энергоемкими по сравнению с другими методами, но часто позволяют полнее использовать сырье и энергию, т.е. существует возможность переработки вторичного сырья и отходов.Однако мембранная технология используется не только в молочной отрасли, но и в других отраслях народного хозяйства: в химической и нефтехимии-ческой промышленности, в биотехнологии и меди-цине, в пищевой промышленности (пивобезалкоголь-ная промышленность, производство соков), при очистке сточных вод и т.д.Основным недостатком мембранного метода является образование слоя задерживаемых веществ на внутренней поверхности мембраны, который со временем уплотняется и значительно снижает производительность процесса – так называемое явление концентрационной поляризации и гелеобразования. Поэтому в настоящее время перспективным направлением является использова-ние концентрационной поляризации. Данный способ предложен авторами [4]. Суть способа заключается в отводе концентрата задерживаемых веществ из области, прилегающей к поверхности мембраны. При этом производится мембранное фильтрование через мембрану. Отвод концентрата с большим содержанием растворенных веществ и исполь-зование его в качестве готового продукта или исходного раствора для последующего концентри-рования позволяет интенсифицировать процесс переработки сырья. В данном направлении разработан ряд конструкций, которые тем не менее характеризуются невысокой производительностью. В связи с этим разработка и исследование мембранного аппарата с отводом диффузионного слоя является актуальной научной задачей.Целью данной статьи является анализ влияния конструктивных особенностей мембранного аппа-рата с отводом диффузионного слоя на процесс концентрирования молочной. Объекты и методы исследованияВ рамках данного направления предложен мем­бранный аппарат, который включает устройство для отвода диффузионного слоя (рис. 1). Устройство со­стоит из корпуса 1 c щелями 2, находящегося внутри кожуха 3, внутренняя поверхность которого выпол­нена с переменным сечением, патрубка для отвода продукта 4. В полости корпуса находится подвиж­ный шток 5. Устройство присоединяется к трубчатой мембране 6. Устройство работает следующим образом. Ос­новная часть исходного раствора под давлением по­дается в канал мембранного аппарата, за счет созда­ния движущей силы в канале аппарата происходит мембранная фильтрация, при этом на внутренней по­верхности мембраны образуется слой с повышенным содержанием растворенных веществ (явление кон­центрационной поляризации). Поток и верхняя часть образовавшегося слоя устремляются в корпус 1, где происходит их разделение: поток поступает во внут­реннюю полость штока 5, слой – в зазор между кор­пусом и штоком. Интенсивный отвод слоя в кожухе создается с помощью разности давлений в зазоре и кожухе.   Рис. 1. Устройство для отвода диффузионного слоя Особенностью данного аппарата является кони­ческая форма внутренней поверхности корпуса, что позволяет создать значительный перепад давлений в зазоре между штоком и конусом и кожухом устрой­ства, тем самым повысив количество отводимого диффузионного слоя. Анализ показал, что производительность аппа­рата зависит от технологических (температура среды, давление в канале аппарата и скорость основ­ного потока) и конструктивных параметров (удель­ная площадь отверстий корпуса, длина конусной части полого штока, расположение конусной части штока относительно отверстий). Длина конусной части полого штока ограничена значениями от 6 до 14 мм, что обусловлено конст­руктивными особенностями кожуха.Удельная площадь отверстий (ΔS) определяется по формуле                                (1) где n – количество отверстий; Sотв = 1,77×10-6 м2 – площадь одного отверстия; Sпов = 175,3×10-6 м2 – площадь внутренней поверхности конусной части корпуса.Расположение конусной части штока относи­тельно отверстий ∆l варьировалось в диапазоне от 0 до 12 мм. При этом начальное положение штока – шток выдвинут в канал аппарата на 6 мм, конечное – шток погружен в корпус аппарата на 6 мм. На рис. 2 показан шток в среднем положении.  Рис. 2. Расположение штока относительно отверстий корпуса (Δl = 6 мм) Исследование проводились на лабораторной ус­тановке периодического действия (рис. 3). В каче­стве исследуемого продукта использовалась молоч­ная сыворотка с концентрацией сухих веществ 4 % масс. Основным элементом установки является мем­бранный аппарат 1, в который из емкости (бака) 2 подается исходный раствор сыворотки. В аппарате от раствора отделяется часть жидкости, профильтро­ванная через мембрану-фильтрат, который накапли­вается в баке 3. Наиболее концентрированная часть (диффузионный слой, отводимый с поверхности мембраны) попадает в бак 4, а оставшаяся часть ос­новного потока с меньшей концентрацией возвраща­ется в бак 1.   Рис. 3. Лабораторная установка периодического действия                Результаты и их обсуждениеРезультаты исследования влияния длины конусной части штока на концентрацию отводимого диффузионного слоя представлены на рис. 4. Экспериментальные исследования проводили при рациональных значениях технологических параметров: температура среды 60 °C, давление в канале аппарата 0,2 МПа и скорость основного потока 1 м/c.   Рис. 4. Влияние длины конусной части штока               на концентрацию отводимого диффузионного слоя            (Р = 0,2 МПа, Т = 60 °C, w = 1 м/с)Наибольшая концентрация С = 5,7045 % масс. достигается при L = 10 мм, что объясняется созда­нием максимальной разности давлений в зазоре ме­жду штоком и корпусом и кожухом, т.к. задейство­ваны все кольцевые щели. При длине конусной части штока больше 10 мм наблюдается снижение разно­сти давлений, а при L меньше 10 мм часть кольцевых щелей не участвует в отводе диффузионного слоя. Соответственно, в этих случаях наблюдается значи­тельное понижение концентрации отводимого диф­фузионного слоя.Результаты влияния удельной площади отверстий в корпусе на содержание сухих веществ в отводимом диффузионном слое представлены на рис. 5.   Рис. 5. Влияние удельной площади отверстий в корпусе на концентрацию отводимого диффузионного слоя           (Р = 0,2 МПа, Т = 60 °C, w = 1 м/с) Максимальное содержание растворенных ве­ществ в концентрате продукта наблюдается при удельной площади отверстий 0,153 (15 отверстий в корпусе – 5 отверстий в 3 ряда). При уменьшении удельной площади отверстий снижается разность давлений в зазоре между штоком и корпусом, вслед­ствие чего в корпус попадает лишь часть диффузи­онного слоя. Оставшаяся его часть удаляется с ос­новным потоком, в связи с чем концентрация рас­творенных веществ снижается. При возрастании удельной площади отверстий концентрация растворенных веществ также снижа-ется, что вызвано снижением перепада давлений, как и в предыдущем случае. Кроме того, часть основного потока отводится вместе с диффузионным слоем.Зависимость концентрации сухих веществ в диффузионном слое от расположения штока относительно отверстий представлена на рис. 6.     Рис. 6. Влияние расположения штока относительно отверстий на концентрацию отводимого диффузионного слоя (Р = 0,2 МПа, Т = 60 °C, w = 1 м/с)При смещении штока в сторону мембраны происходит снижение концентрации за счет перекрытия части отверстий цилиндрической частью штока. Кроме того, фронтальная часть штока является местным сопротивлением потоку среды, турбулизирует его и размывает диффузионный слой. При смещении штока в обратном направлении часть отверстий корпуса не участвует в отводе диф-фузионного слоя, так как коническая часть штока не образует зазор с корпусом в данном месте. Таким образом, не создается необходимая разность дав-лений и концентрация падает.Для построения регрессионной модели выбран активный эксперимент на основе матрицы планиро­вания ортогонального плана второго порядка. В ка­честве факторов выбраны: длина конусной части штока L, удельная площадь отверстий в корпусе ΔS, расположение штока Δl. Уровни и интервалы варьи­рования факторов представлены в табл. 1.  Таблица 1 Уровни и интервалы варьирования факторов ОбозначениефакторовИнтервалварьированияФакторы при уровнях варьирования–α–101+αX1 (∆S), м2/м20,050,030,060,10650,160,183X2 (L), мм2,6267,381012,6214X3 (∆l), мм3,9302,0769,9312  Эксперимент проводился на основе матрицы планирования (табл. 2) ортогонального плана вто-рого порядка для трех факторов, составленной в соответствии со стандартной методикой [4, 5].  Таблица 2 Матрица планированияортогонального плана второго порядка №X1, м2/м2X2, ммX3, ммY, % масс.10,067,382,074,27920,167,382,074,72230,0612,622,074,38940,1612,622,074,83150,067,389,934,32460,167,389,934,76770,0612,629,934,43380,1612,629,934,87690,031064,828100,1831065,502110,1065664,048120,10651464,215130,10651005,06140,106510125,128150,10651065,659160,10651065,862170,10651065,627180,10651065,573190,10651065,684200,10651065,731 Была проведена проверка коэффициентов урав-нения на значимость, а также проверка адекватности уравнения регрессии (табл. 3).   Таблица 3 Параметры регрессионного анализа ПараметрЗначениеБезразмерные коэффициентыb05,685b`04,977b10,2211b20,0547b30,022b124,44·10-16b130b23–8,9·10-16b11–0,21455b22–0,6592b33–0,245Дисперсия воспроизводимостиS2восп0,01fвосп5Расчетный критерий Стьюдентаt02532,748t178,3483t219,383t37,8489t121,25·10-13t130t232,5·10-13t1156,008t22172,0783t3363,94Критический критерий Стьюдентаtкр2,57ДисперсияадекватностиS2ад0,00415fад13Критерий ФишераFрасч2,42Fкрит3 Незначимые коэффициенты исключены из уравнения. Адекватность уравнения подтверждена критерием Фишера (Fкрит = 3, Fрасч = 2,42, Fкрит > Fрасч).       Уравнение регрессии в натуральном масштабе имеет вид:        (2)   Задача определения значений конструктивных параметров, обеспечивающих максимально возможное содержание растворенных веществ в концентрате, сводится к определению максимума функции нескольких переменных.  ВыводыДля переработки молочных сред с целью получе­ния полезных продуктов, обогащенных белковыми соединениями в нативном виде, актуально примене­ние мембранных методов. Наиболее эффективны мембранные аппараты с отводом диффузионного слоя.Проведено исследование влияния конструктив­ных параметров аппарата на процесс концентриро­вания молочной сыворотки.На основе регрессионного анализа выявлены ра­циональные значения конструктивных параметров аппарата для концентрирования молочной сыво­ротки. Максимальное содержание растворенных ве­ществ в концентрате наблюдается при удельной площади отверстий ∆S = 0,14, расположении штока относительно отверстий ∆l = 6,22 мм и длине конус­ной части штока L = 10,12 мм и составляет C(∆S, ∆l, L) = 5,6284 % масс.