Анализ влияния условий атмосферной двухстадийной сушки протеина в псевдоожиженном слое на качество продукта

Дефаззификация может осуществляться как методом максимумов, так и методом центра тяжести, в зависимости от настроек алгоритма. В качестве следующего из базы случайным образом выбирается отвечающее ограничению по использованным темам тестовое задание, имеющее значение степени сложности из заданной преподавателем окрестности величины, рассчитанной при дефаззификации. Если в этой окрестности отсутствует хотя бы одно задание, удовлетворяющее имеющимся ограничениям, из базы выбирается задание, также удовлетворяющее имеющимся ограничениям, со значением степени сложности, наиболее близким к рассчитанному. Выбор алгоритма адаптивного тестирования может быть обусловлен различными факторами: видом проводимого контроля знаний (самоконтроль, текущий, итоговый и т. д.), тематическим составом теста, составом исследуемой аудитории и другими.

В настоящее время на кафедре компьютерно-интегрированных систем в химической технологии разработана и используется автоматизированная система адаптивного тестирования, основанная на описанных в докладе теоретических положениях и первом варианте алгоритма определения сложности предъявляемого задания. В системе реализованы функции, необходимые для работы различным группам пользователей (администраторам, преподавателям, студентам), и организовано разграничение прав доступа к ним. Примеры рабочих форм преподавателя и студента представлены на рис. 2, 3.

Опыт практического использования разработанной системы и наличие корреляции полученных в результате тестирования оценок с итоговым рейтинговым баллом подтвердили высокую эффективность использования алгоритмов, основанных на методах теории нечётких множеств, при адаптивном тестировании знаний.

УДК 66.047: 621.577

А.Ю. Троянкин, О.Ю. Гузев, Н.В. Меньшутина

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ АТМОСФЕРНОЙ ДВУХСТАДИЙНОЙ СУШКИ ПРОТЕИНА В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ НА КАЧЕСТВО ПРОДУКТА

The influence of drying stages number and drying time of atmospheric heat pump fluidized bed drying of protein on the final product quality characteristics (residual moisture content, color, bulk density) was investigated. By means of mathematical modelling the set of possible values of process parametres and conditions that are able to provide the best product quality was found. After energy efficiency estimation of the found conditions using Kudra's dynamic energy efficiency criteria and SMER the final values of process parameters that can provide the best product quality and energy efficiency were defined.

На примере процесса атмосферной двухстадийной сушки протеина в сушилке с тепловым насосом проведено исследование влияния параметров процесса (число и продолжительность стадий сушки) на качественные характеристики продукта. При помощи математического моделирования осуществлен поиск возможных условий проведения процесса, при которых качество получаемого продукта могло бы быть максимальным. Проведена дополнительная оценка энергетической эффективности процесса с использованием динамических критериев эффективности, а также при помощи критерия SMER (удельная скорость удаления влаги).

В настоящее время в России, в сфере химико-фармацевтической индустрии активно внедряются европейские стандарты качества GMP, предъявляющие новые высокие требования к качеству продукции и к самому процессу производства.

Одной из инновационных технологий сушки фарм- и биоматериалов является атмосферная двухстадийная сушка в псевдоожиженном слое с тепловым насосом.

Двухстадийная сушка включает сублимационную и тепловую сушку. На первой стадии (сублимационная сушка) из материала удаляется несвязанная влага. Благодаря мягким условиям процесса сохраняются все полезные свойства и структура материала. На второй стадии (тепловая сушка) за короткий период времени из материала удаляется остаточная связанная влага. Включение теплового насоса в технологическую схему позволяет снизить общее энергопотребление на 30-40 процентов, и, кроме того, варьировать температуру и относительную влажность сушильного агента на входе в сушильную камеру в диапазоне от -20°С до 100°С и от 30% до 90% соответственно.

В БЮТЕЕ-ЫТКи (Норвегия) была проведена серия экспериментов по сушке протеина определенного вида в лабораторной атмосферной сушилке псевдоожиженно-го слоя с тепловым насосом. Основными целями исследования являются: 1. Изучение влияние количества стадий и времени проведения процесса на такие качественные характеристики конечного продукта, как: остаточное влагосодержание, цвет, насыпная плотность. 2. Поиск возможных значений условий процесса, при которых качество получаемого продукта могло бы быть максимальным.

Материал, выбранный для экспериментов, содержал: протеин (определенный вид) - 14.7%; жиры - 0.3%; вода - 85% (по влажному материалу). Перед проведением экспериментов материал замораживался при температуре -25°С и нарезался на кубики размером 5мм. В табл. 1 представлены условия проведения экспериментов. Эксперимент №4 включал только сублимационную сушку и был проведен с целью изучения влияния количества стадий процесса на качественные характеристики продукта. На рис. 2 представлены полученные кривые сушки.

Табл. 1. Условия проведения экспериментов Рис. 1. Кривые сушки

№ эксп. I стадия II стадия

Т1, °С I1, ч Тп, °С ч

1 -5 2 25 2

2 -5 3 25 2

3 -5 6 25 2

4 -5 8 - -

Оценка качества продукта проводилась по следующим характеристикам: остаточное влагосодержание, цвет и насыпная плотность.

Табл. 2. Результаты измерения компонентов цвета Ь и Ь

Ь Ь

Исходный материал 56.03 4.64

Эксп. 1 72.70 7.02

Эксп. 2 74.85 7.82

Эксп. 3 76.74 9.53

Эксп. 4 66.45 10.56

Табл. 3. Измерение насыпной плотности

Исходный Материал Насыпная плотность, кг/м3

450.23

Эксп. 1 269.79

Эксп. 2 239.03

Эксп. 3 193.79

Эксп. 4 219.60

Остаточное влагосодержание высушенных образцов для эксп. 1 -4 составило 13.50%, 6.23%, 5.44%, 35.89% соответственно. Результаты показывают, что по сравне-

нию с сублимационной сушкой применение двухстадийной сушки позволяет достигнуть значительно более низкого остаточного влагосодержания продукта за более короткий промежуток времени.

Для измерения цвета образцов использовался метод спектроколориметрии и модель Lab. Согласно этой модели цвет образца при оцифровке раскладывается на три цветовых компонента: L (светлый/темный), a (красный/зеленый), b (желтый/синий). Значение компонента L изменяется от 0 (абсолютно темный) до 100 (абсолютно светлый). Положительные значения компонентов a и b соответствуют красному и желтому цвету, отрицательные - зеленому и синему цвету.

Качество высушенных в данной работе образцов можно предварительно оценить по значениям компонентов L и b. Значение L должно быть максимальным, значение b - минимальным.

В табл. 2 приведены результаты измерения компонентов цвета L и b для исходного материала и высушенных образцов.

Максимальное значение компонента L наблюдалось для образца из эксп. 3, минимальное - для образца из эксп. 4. В табл. 3 представлены результаты измерения насыпной плотности исходного материала и высушенных образцов. Минимальное значение насыпной плотности было получено для образца из эксп. 3, максимальное - для образца из эксп. 1.

Далее был осуществлен поиск возможных условий процесса, при которых качество получаемого продукта могло бы быть максимальным. Для качества данного продукта, наиболее важной характеристикой является остаточное влагосодержание. Цвет и насыпная плотность рассматривались как равнозначные характеристики.

На первом этапе, при помощи математической модели процесса, варьируя значениями времени сублимационной стадии от 1 до 8 часов (интервал 1 час) и соответственно варьируя время тепловой стадии сушки от 0 до 7 часов (интервал 0.5 часа), был получен массив данных различных значений влагосодержания, после чего выбраны такие значения, которые попадают в заданный интервал по качеству: 3 - 6 % вм. Таким образом, из 57 вариантов возможных условий процесса были отобраны 14.

Далее согласно полученным экспериментальным данным по анализу цветовых характеристик продукта, при помощи полинома 2-й степени, была найдена функциональная зависимость компоненты цвета от времени сушки. Результаты нахождения функций цвета при помощи полинома второй степени представлены на рис 2.

Рис. 2. Функции компонента цвета L и Ь

Вид полиномов для цветовых характеристик Ь и Ь:

Ь

Ь

х - время 1-й стадии сушки, у - время 2- й стадии сушки.

Затем рассчитаны значения цветовых характеристик для уже отобранных на первом этапе 14-ти вариантов и выбраны оптимальные значения цветовых характеристик. Для цветовой характеристики Ь оптимальными являются значения, лежащие в интервале 75 - 87. Для характеристики Ь - минимальные значения. Из 14 вариантов было отобрано 6.

Аналогично, согласно полученным экспериментальным данным по насыпной плотности продукта, при помощи полинома 2-й степени, была найдена функциональная зависимость насыпной плотности от времени стадий сушки. Результаты нахождения функции плотности представлены на рис. 3. Вид полинома 2-й степени для насыпной плотности:

р(х, у) = -5.23 • ху -14.9 • у2 - 34 • у + 450.056 - 41.52 • х +1.57х2 (3) х - время 1-й стадии сушки, у - время 2- й стадии сушки.

Были выбраны значения насыпной плотности продукта, которые попадают в оптимальный интервал по качеству 150 - 220 кг/м3.

Так как цвет и насыпная плотность рассматривались как равнозначные характеристики, то при помощи пересечения вариантов, выбранных на предыдущих шагах, был отобран конечный набор условий проведения процесса, при которых возможно достижение наилучших значений рассматриваемых качественных характеристик продукта (табл. 4).

Выбранный с учетом качества набор оптимальных условий был дополнительно оценен с точки зрения энергетической эффективности процесса. Для оценки энергетической эффективности использовался динамический критерий эффективности сушки, позволяющий оценить степень использования подводимой энергии в процессе сушки.

Аш  r

SE = -—;-

Gca  С сх вход ~ ^ос ) ,

где Ат - количество испаренной влаги за интервал времени Ах; r - удельная теплота парообразования; кДж/кг, Gca - расход сушильного агента, кг/ч, Cca - теплоемкость входящего сушильного агента; кДж/(кг-К), texod , toc - температура входящего и окружающей среды соответственно, С.

Результаты расчета динамических критериев эффективности для отобранных четырех вариантов приведены на рис. 4.

Согласно анализу энергоэффективности, наибольшее значение динамический критерий достигает при проведении процесса сушки по варианту 1. Кроме того, проведение процесса по варианту 1 дает наименьшее суммарное время сушки. Дополнительно была проведена оценка энергетического совершенства сушильной установки с тепловым насосом с использованием таких критериев как коэффициент энергетической эффективности теплового насоса (COP) и удельная скорость удаления влаги (SMER). Критерий SMER рассчитывается на основании коэффициента энергетической эффективности теплового насоса и показывает, какое количество влаги может быть удалено из высушиваемого материала в процессе сушки при подведении 1 кВт энергии к сушильной установке с тепловым насосом в течение 1 ч.

SMER = COP • — /гч

dh

где дх - изменение влагосодержания сушильного агента в цикле теплового насоса, кг/кг; dh - изменение энтальпии сушильного агента в цикле теплового насоса за счет нагревания в конденсаторе хладагента и работы вентилятора, кДж/кг.

Время, ч

Рис. 4. Динамические критерии эффективности

Для расчета СОР и 8МЕЯ используют диаграмму термодинамических состояний хладагента в цикле теплового насоса, а также психрометрическую диаграмму для воздуха при нормальном давлении. Суммарные значения 8МЕЯ, рассчитанные для отобранных с учетом качества вариантов условий сушки, приведены в табл.5.

Табл. 5. Значения критерия 8МЕЯ.

№ варианта t 1 ст., ч t 2 ст., ч SMER, кг/кДж*ч

1 3 2.5 1.16

2 4 2 0.95

3 4 2.5 1.04

4 5 2 0.87

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что наилучшими условиями проведения атмосферной двухстадийной сушки в псевдоожиженном слое с тепловым насосом с точки зрения качества продукта и энергетической эффективности сушильной

установки с тепловым насосом являются (значение 8МЕЯ составило 1.16.): • время 1-й стадии сушки - 3 ч, • время 2-й стадии сушки - 2.5 ч.

Таким образом, результаты анализа энергоэффективности с использованием критерия 8МЕЯ и динамического критерия эффективности аЕ совпадают.

В результате проведенных исследований, на основании экспериментальных данных, а также при помощи математической модели процесса и найденных функциональных зависимостей качественных параметров продукта (цвет, насыпная плотность) от времени стадий сушки были отобраны возможные варианты условий процесса, при которых качество получаемого продукта является максимальным. Данный набор условий процесса был дополнительно оценен с точки зрения энергоэффективности при помощи динамического критерия эффективности аЕ, а также при помощи критерия 8МЕЯ.

Таким образом, наиболее рекомендуемыми условиями проведения атмосферной двухстадийной сушки (продукт протеин) в псевдоожиженном слое с тепловым насосом являются: время 1-й стадии сушки (-5°С) - 3 ч, время 2-й стадии сушки (25 °С) - 2.5 ч.

УДК 681.324:621.398

М.Л. Фёдорова, А.В. Силин, Нгансоп Нгуепкап Серж

Новомосковский институт (филиал) Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Новомосковск, Россия

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В СПУТНИКОВОМ ДОСТУПЕ

Have been created simulate of satellite communication with the object of optimization specification of receiving-earth station. To propose a model to estimate bandwidth of receiving-earth station for quality of service.

Ставится и решается задача моделирования работы системы спутниковой связи с целью оптимизации технических характеристик наземных станций. Предлагается модель, позволяющая рассчитать ширину полосы пропускания при обеспечении заданного уровня качества обслуживания.

В работе рассматривается система спутниковой связи, состоящая из определенного количества наземных станций и спутника. Спутник принимает вызов от наземной станции и передает ответ на приемную станцию. Известны технические характеристики оборудования спутника, среднее время обработки одного вызова t, пропускная способность, уровень обслуживания щ, который является вероятностью блокировки вызова BER (Bit Error Rate). Авторы данной работы ставят перед собой задачу смоделировать работу указанной системы с целью оптимизации технических характеристик наземных станций. Таким образом, необходимо определить ширину полосы пропускания и количество станций передающих одновременно при обеспечении заданного уровня обслуживания, т.е. значение BER должно быть меньше пороговой величины щ (обычно 0,5%) . При определении величины пропускной способности станции уже учитываются условия передачи (идеальные или нет), отношение символьной энергии канала к плотности мощности шума, и другие параметры. Рассмотрим систему передачи информации от клиента к наземной станции, и дальше спутнику. Эту систему можно условно разделить на два этапа. Первый это передача информации от клиента станции, в этом случае в системе есть буфер, и возможна задержка неудачного вызова. Второй этап - передача информации от станции спутнику, в этом случае происходит очистка неудачного вызова. В результате рассматривается система типа источник-приемник и её можно классифицировать как двух фазную систему массового обслуживания. Первую фазу можно