Экспериментальное исследование процесса обезжиривания кости во встречных струях в производстве медицинского желатина

УДК 634.959.5

В. Г. Кузнецов, Р. Н. Аскарова

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЕЗЖИРИВАНИЯ КОСТИ ВО ВСТРЕЧНЫХ СТРУЯХ В ПРОИЗВОДСТВЕ МЕДИЦИНСКОГО ЖЕЛАТИНА

Ключевые слова: медицинский желатин, обезжиривание, встречные струи, содержание жира в кости, число циклов

обработки, технические параметры установки.

Проведенные экспериментальные исследования обезжиривания кости во встречных струях показали высокую эффективность процесса при трехкратной обработке сырья. Определена скорость, с которой жидкость увлекает частицы кости по трубе, представлены формулы для расчёта времени каждого этапа. Выявлена графическая зависимость содержания остаточного жира от температуры среды.

Keywords: medical gelatin, degreasing, counter-jet, the fat content in the bone, quantity of cycles ofprocessing, technical parameters

of the installation.

Experimental Study degreasing bones in opposite jets were conducted. It showed the high efficiency of the process at three times the processing of raw materials. Determined the rate at which bone particles draws liquid through a tube, presents formulas for calculating time of each stage. Revealed a graphical representation of the residual fat on the ambient temperature.

Обезжиривание - это обработка горячей водой дроблёной кости с целью максимального удаления жира. Наличие жира в шроте ухудшает процессы деминерализации, снижает качество оссеина и, соответственно, ухудшает свойства готового продута - желатина.

Производят обезжиривание с помощью горячей воды, при этом остаточное содержание жира должно быть не более 2-3% .

Фирмы «Руссело», Франция, «Лайнер», «Chemtech», Англия, ДЖФ ШТОСС, Германия, и др. применяют водное обезжиривание в системе ёмкостей, в которых кость проходит спиралеобразный путь по высоте ёмкости под воздействием мешалки, обладающей определённым насосным эффектом, либо систему шнеков, задействованных последовательно [1]. Общее время обезжиривания составляет 1 -3 часа в зависимости от вида кости. Процесс ведётся в водной среде при t = 96±20С. Содержание остаточного жира не должно превышать 3% (в расчёте на сухой продукт).

В [2] показано, что процесс обезжиривания кости происходит в диффузионной области, и поэтому возможна его интенсификация с помощью изменения гидродинамической обстановки. Одним из наиболее эффективных способов интенсификации является обезжиривание кости во встречных струях [3-11].

Аналитическим расчётом процесса [4, 10-12] определяется скорость, с которой жидкость увлекает частицы кости по трубе. Для калибра 3-8 мм она должна быть от 2,4 до 6,5.м/сек, для калибра 8-14мм v0=7,4-12/9 м/сек; для калибра 14-18мм v0=14-18 м/сек. Средняя по всем калибрам скорость v0=10,2 м/сек.

Используя зависимость [9]

z = — Inl0 4

w

v{rn2 + 40/*)

где z - величина смещения жира в капилляре радиусом гп ; t* - время торможения частицы до её полной установки:

* = mAPxSVo), M - средняя масса частиц данного калибра;

рж — плотность жидкости; V - коэффициент

кинематической вязкости жира при 700С, и принимая максимальную длину капилляра (для третьего калибра) 16 мм, можно показать, что при однократном соударении извлекается % жира, находящегося в порах.

Рис. 1 - Установка обезжиривания кости: 1 -резервуар пульпы; 2 - насос; 3 - делитель потока; 4 - трубы; 5 - камера; 6 - сопло; 7 - шнек для выгрузки шрота; 8 - бункер-дозатор, 9 -приёмная емкость

В связи с этим технология предполагает трёхкратную обработку кости.

На установке (рис. 1) исследовалось влияние различных параметров на обезжиривание кости: температуры среды, продолжительности обработки, соотношения фаз в гидросмеси, размера частиц (калибра) и скорости потока.

Предварительно были получены теоретические зависимости времени нагрева частицы кости.

При решении задачи принята следующая модель процесса: частицы кости представляют собой цилиндр радиусом гк с расположенным по его оси

капилляром радиуса гж, наполненным жиром. В начальный момент времени при t=0 температура кости и находящегося в нем жира равна а окружающей среды 1ж.

Процесс содержит 4 этапа: первый - прогрев кости (время прогрева ^ , окружающей капилляр с жиром, второй ^ - нагрев жира до температуры плавления, третий ^ - плавление и переход жира в жидкое состояние, четвертый 14 - нагрев жира до конечной температуры. Таким образом, искомая величина нагрева

Т^= . t1+t2+tз+t4

Точное решение задачи содержит уравнения Фурье для каждого этапа и приведено в [2,8-10]. Ниже представлены формулы для расчёта времени каждого этапа

Т1+2=Т^ г2/а

2

тз= (Т3-Т2) -г к/а Т4= (Т4- Тз) •г2к/а

Здесь ^-температура частицы кости на оси цилиндра, Т-температура плавления жира, Т3-.переход жира в жидкое состояние, Т4-температура нагрева жира, гк-радиус частицы, гж-радиус капилляра.

В размерной форме ^ = (Т1-Т2) и 1 = + 13 + 14.

Приведём некоторые конкретные данные для расчёта процесса прогрева кости до заданной температуры.

Пусть кость имеет длину L= 2 10-2 м , гк= 0,63 10-2 м, Хк= 5,17 , ак= 1,5 10 м2 /с, ск= 2,97103 дж / кгК , 10=200 С, 500 С,

1ж= 900 0С, а= 1,163^ 103 вт / м2 К, гж = 0,2 • 10-2м, Мж = 0,225 • 10-3кг, Хж=0,17 Вт / мК, аж= 0,93 • 10-7м2 / с, Ьж= 1,3410-5дж / кг,1пл = 42 0С.

Для этих данных время ^=2 составит 8,5 с. Полагая, что тепловой поток за время плавления не изменяется, получим 13= 1,5с, время прогрева жира в капилляре до = 50 0С составит 14= 7,4с.

Таким образом, при указанных выше условиях время прогрева жира в капилляре составит 1 = + 1э + 14 = 17,4 с.

И, следовательно, это является минимально возможным временем нагрева кости размером 20 мм.

Из резервуара 1 смесь воды и кости насосом 2 через делитель потока 3 попадает в камеру 5, через сопло 6. Смесь после соударения в зазоре труб 4 направляется в бункер-дозатор 8 шнеком 7. Смесь может обезжириваться неоднократно.Определено, что максимальная эффективность процесса обезжиривания достигается трёхразовым циклом. Отработанная смесь собирается в емкость 9.

Технические параметры установки:

производительность 720 кг/час по кости, продолжительность одного цикла обработки кости-3,7 мин , потребляемая мощность насоса-12,5квт, мощность эл.двигателей шнеков бункера-дозатора и

выгручного устройства соответственно 1,2 квт и 1 квт, температура 69-720 С[10,11].

Вид кости - тазовая, ребро, лопатка, нижняя челюсть . Объём заливаемой воды подобран экспериментально из условия устойчивой работы насоса и оставался постоянным, равным 0,2 м3.Подача насоса не изменялась, она равнялась 90 м3/час.

Ниже приведены некоторые результаты исследований на опытной установке в виде графиков, отражающих экспериментальные результаты проведенной работы.

Предварительные испытания показали, что для снижения содержания жира в кости необходимо два - три цикла обработки. Некоторое дополнительное снижение остаточного жира в кости может быть получено при проведении процесса в четыре- пять циклов, но это не оправдано экономически.

Температура выше 70-750С не существенно влияет на процесс обезжиривания во встречных струях. Тем не менее, увеличение её способствует извлечению жира из кости (рис. 2).

Число циклов

Рис. 2 - Зависимость содержания жира от температуры: 1 - t = 59 0С; 2 - t = 71 0С; 3 t = 84 0 С

Поскольку скорости соударяющихся потоков близки к теоретическим, то и увеличение скорости с 7,86 м/сек до 10,0м/сек было незначительно - в пределах ошибки эксперимента (рис. 3).

Из рис. 3 видно, что при разных скоростях гидросмеси достигается практически одинаковая степень обезжиривания кости Небольшое уменьшение остаточного жира в кости можно достигнуть при обработке в четырёх циклах. Следует упомянуть, что средняя величина обезжиривания в водной среде при длительном обогреве составляет 2-3%.

Достижимая величина остаточного жира в кости, полученная на опытной установке, составляет в среднем 0,8-0,9.%, что значительно ниже, чем при любых других способах обезжиривания водной средой.

На рис. 4. показана зависимость содержания остаточного жира в кости от калибра.

При обезжиривании кости различного калибра следует отметить, что частицы размером 5-15 мм

обезжириваются почти одинаково. Это нельзя сказать о мелочи (частицах размером менее 5 мм).

Число циклов обработки

Рис. 3 - Зависимость содержания жира от скорости потока: 1 - W= 7.86 м/сек; 2 -W=10 м/сек

Они содержат жира несколько больше, порядка 3% после трёх циклов обработки.

Число циклов обработки

Рис. 4 - Зависимость содержания жира в кости от её калибра : 1 - а < 5 мм; 2 - а = 5-10 мм; 3 - а = 10 - 15 мм

Сказанное объясняется тем, что при измельчении кости откалываются мелкие части, в основном, губчатой структуры, и именно губчатая кость содержит больше жира и труднее его отдаёт.

Изменение концентрации твёрдой фазы в гидросмеси в заданных пределах производительности по сырью (до 500 кг/час, т.е. К= 0,6 % массовых) практически не повлияло на степень обезжиривания кости.

При обезжиривании кости во встречных струях происходит и её полировка. После обработки прирезей на кости остаётся в пределах 0,1-0,2%.

Для извлечения жира из кости достаточна температура 70-75 0С, концентрация твёрдой фазы

0.8. (массовых), скорость потоков - 7,86 м/сек, за три цикла обработки получить шрот с содержанием жира менее 2% и мясных прирезей менее 3%.

Известно, что после обезжиривания полученный шрот на существующем производстве направляется на полировку в аппараты барабанного типа. После обезжиривания дроблёной кости во встречных струях мясные прирези в значительной мере отделяются от частиц кости, что разгружает нагрузку на полировочные барабаны.

На основании проведенных исследований предлагается обезжиривание кости по следующему технологическому режиму:

- размер кости до 15 мм, температура воды-70-75 0С; подача кости 720 кг/час;

- производительность насоса по воде-90 м3/час,

- подача воды 1000-1500 кг/час;

- скорости соударяющихся потоков 7,86 — 10,0 м/сек (рис. 3).

Технологические параметры устройств для обезжиривания даны в [3,5-8, 9-15].

Литература

1. А.Ф. Джафаров. Производство желатина. Агропромиздат, Москва, 1990. 287 с.

2. Пат. Россия, 779-В2009

3. Авт. Свид. Россия, 1063824

4. В.Г.Кузнецов, А.А. Булатов, В.А.Хрустов, Н.Х.Зиннатуллин. Всесоюзная конференция по физико-химической механике кинофотоматериалов (Июнь 1990), Казань

5. И.В. Чепегин, В.А. Хрустов, Б.М..Азизов, В.Г. Кузнецов. Обезжиривание кости во встречных струях, Молочная и мясная промышленность, Казань, 1990, с. 28-29.

6. В.А.Хрустов, В.Г. Кузнецов. Всесоюзная конференция по физико- химической механике кинофотоматериалов (Август 1990), Казань

7. Авт.Свид. Россия, 1243346 1988г.

8. Кузнецов В.Г., Аскарова Р.Н., Вестник Казан. технологического университета, 17, 14, 378-379

9. Кузнецов В.Г., Аскарова Р.Н., Вестник технологического университета, 18, 21, 83-85 (2015).

10. Авт.Свид., Россия 1717620 1984г.

11. В.В. Антонов, В.Г. Кузнецов, Н.Х. Зиннатуллин, А.А. Булатов, Г.Н. Зиннатуллина. Вестник КГАУ, 1, 1, 95-97

12. Кузнецов В.Г., Булатов А.А., Хрустов В.А., Зиннатуллин Н.Х., Деп ВИНИТИ, 2732/в, 56-58, 1991.

13. Булатов А.А., Нафиков И.М., Зиннатуллин Н.Х., Кузнецов В.Г.. Хим. пром., 2, 23-25 (1996).

14. Булатов А.А., Зиннатуллин.Н.Х., Кузнецов В.Г. Деп.в ВИНИТИ, 831, 31-33

15. Авт. Свид., Россия 177035. 1988

© В. Г. Кузнецов - к.т.н., доцент кафедры ТКМ КНИТУ, aschess@yandex.ru; КНИТУ, ryshka08@gmail.com.

Р. Н. Аскарова - ассистент кафедры ТКМ

© V. G. Kuznetsov - associate professor from department of structural materials technology, candidate of technical science, KNRTU, aschess@yandex.ru; R. N. Askarova - teaching assistant from department of structural materials technology, KNRTU, ryshka08@gmail.com.