Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности (ГНУ ВНИМИ).     Применение аппаратов роторного-пульсационного типа (РПА) завоевывает все более значимые позиции при производстве продуктов питания. Ведь, кроме того, что они являются эффективными малообъемными смесителями, хорошо зарекомендовавшими себя в различных технологических операциях, в последнее время просматриваются новые перспективы по использованию РПА в молочной отрасли. Их можно использовать при гомогенизации различных видов продуктов, дополняя, а иногда и заменяя в производственных линиях энерго- и металлоемкие гомогенизаторы клапанного типа [1], а так же при проведении  процесса пастеризации и стерилизации молока на пониженных температурных режимах [2]. Кроме этого на сегодняшний день является актуальным направление получения молочных продуктов с взбитой структурой. Несмотря на растущую популярность таких продуктов среди потребителей их ассортимент по сравнению с другими видами молочной продукции значительно ниже. Взбитые продукты в основном  или импортируются в нашу страну или производятся на недоступном для многих отечественных  предприятий импортном оборудовании [3]. Это послужило предпосылкой для создания соответствующего аппаратурного оформления и исследования зависимостей происходящих в нем процессов.     Используя опыт работ сотрудников Кемеровского технологического института пищевой промышленности, в которых впервые показана  возможность получать на РПА оригинальной конструкции аэрированные молочные продукты с высокой степенью взбитости [4], а также собственный опыт по созданию пищевого оборудования [5], конструкторами ГНУ ВНИМИ была создана и апробирована экспериментальная гидродинамическая установка роторного типа ГУРТ-300  с расширенными функциональными способностями среди которых заложена возможность проводить аэрацию продукта [6].     Процесс аэрирования в данной установке выглядит следующим образом – после получения гомогенной смеси, предназначенной для взбивания,  во время диспергирования в  устройство впрыска подается газовая фаза с определенным расходом. Пузырьки газа увлекаются потоком обрабатываемого продукта и при прохождении перекрывающихся каналов системы ротор-статора подвергаются тонкодисперсному дроблению и равномерному распределению газовой фазы в  обрабатываемом продукте. Процесс длится до получения необходимой степени взбитости.       С целью успешного решения задачи оптимизации процесса газонаполнения, на основании выполненного информационного анализа предложена его обобщенная параметрическая модель (рис.1). Рис 1. Обобщенная параметрическая модель процесса газонаполнения.     Установлено, что изменение зазора  между боковыми поверхностями зубьев в установках роторно-пульсационного типа оказывает значительное влияние на структурные свойства продукта (в нашем случае взбитость), которое также меняет свои значения при разной продолжительности процесса. Базируясь на этих соображениях, для описания влияния геометрии роторного устройства и продолжительности газонаполнения на степень взбитости системы требовалось экспериментальным путем найти интерполяционную формулу:W = y(a, x) = a₀±c₀ + (a₁±c₁)^.X₁ + (a₂±c₂)^.X₂ ++ (a₁₂±c₁₂)^.X₁^.X₂ – (a₁₁±c₁₁)^.X₁² – (a₂₂±c₂₂)^.X₂²Где: y (или W – взбитость, %)  - отклик (выходная величина), а – вычисляемые коэффициенты, с – среднеквадратичные отклонения искомых коэффициентов.     Количественные показатели степени взбитости определялись из соотношения:

,где –  и  соответственно - плотность смеси до и после газонаполнения, г/см³.     При постановке эксперимента, выбор числа и условий проведения опытов, обеспечивающих получение наилучшего результата исследования, осуществлялся по известной методике планирования эксперимента и статистической обработке данных [7]. Для построения модели был выбран полный факторный план типа 2²_.     Локальная область планирования полного факторного эксперимента 2² (факторное пространство) определялась с учетом возможного с технической точки зрения, изменения зазора между зубьями ротора и статора и временных параметров газонаполнения систем, при которых не происходит значительного повышения температуры модельной смеси за счет влияния сил диссипационного сопротивления. После перевода количественных характеристик параметров в кодированную форму с учетом добавления звездных точек и определения центра плана был получен центральный композиционный план для квадратичных моделей типа 2². Диапазон варьирования факторов представлен в таблице 1.Таблица 1.Уровни варьирования факторов.

     В качестве объекта исследования была подобрана модельная система c оптимальным соотношением компонентов, поиск которых осуществлен в отдельном цикле исследований посвященных созданию структурирующих пищевых добавок [8].  В качестве газовой фазы использовался инертный газ – азот. Расход газовой фазы подбирался равным в объемном соотношении с расходом жидкости при рециркуляции исходя из возможности достижения 100% взбитости при однократном прохождении газожидкостной смеси через ротор-статор. Частота вращения ротора не поддавалась варьированию и составляла 1460 об/мин.     Результаты экспериментов согласно приведенной матрицы планирования представлены в таблице  2:Таблица 2.План и результаты эксперимента для ПФЭ 2².

     При обработке полученных данных эксперимента выполнялись вычисления коэффициентов к уравнению регрессии с использованием положений линейного программирования по поиску допустимых базисных решений. Для проверки адекватности полученной модели были рассчитаны среднеквадратичные отклонения коэффициентов уравнения.     Окончательное уравнение регрессии отображающие зависимость взбитости продукта (W) от зазора между боковыми поверхностями зубьев (Х₁) и времени газонаполнения (Х₂) после перевода в нормированный вид выглядит следующим образом:W = (90.7±0.33) + (0.88±0.125)^.X₁ + (11.87±0.125)^.X₂ + (8.97±0.25)^.X₁^.X₂ –  - (11.16±0.18)^.X₁² – (4.96±0.18)^.X₂²     Общий вид поверхности описанной данным уравнением, представлен на рис.2.Рис. 2. Поверхность отклика.     Кроме этого, каждый образец взбитой системы, полученный в результате выработок,

был оценен на кинетическую стойкость системы. Пробы выдерживали при комнатной температуре в течение суток. Результаты оценивались через 1, 2, 3, 4 и 24 ч. Расслоение системы не наблюдалось.     Для удобства интерпретации полученной поверхности (рис. 2) был построен график линий равного отклика, т.е. линий, соответствующих одному и тому же значению степени взбитости газожидкостной смеси (рис. 3).Рис.3. Линии равного отклика, соответствующие газожидкостным смесям с равной взбитостью.     На  рис. 3 видно, что в исследуемой локальной зоне факторного пространства  степень взбитости продукта превышает необходимый уровень, рекомендованный для молочных взбитых продуктов, плотность которых должна быть не выше   850 кг/м³  (W>25%). Поэтому для увеличения производительности  получения  взбитых продуктов на установке ГУРТ-300, газонаполнение можно проводить за один проход без рециркуляции. Для получения продуктов с максимальной степенью взбитости на данной установке следует придерживаться следующих параметров: зазор z =1.3±0.1 мм  и время газонаполнения t = 5мин±20сек.Таким образом, в результате математического моделирования и обработки результатов, а также визуальных оценок, исследовано влияние геометрии роторного устройства на степень взбитости модельной системы. Это с достаточной точностью позволит прогнозировать результаты газонаполнения при выработке взбитых пищевых продуктов.

Литература1.     Иванец Г.Е. Интенсификация процессов гомогенизации и диспергирования при получении сухих, увлажненных и жидких продуктов. Автореф. докт.техн. наук. – Москва, 2001. 2.     Михалкина Г.С., Соснина Н.А. и др. Пастеризация молока и молочной сыворотки в суперкавитирующем аппарате роторно-пульсационного типа – стерилизаторе – гомогенизаторе  // Молочная промышленность. 1999. №9. 3.     Mark H.G. de Bruijn  Аэрированные молочные продукты // Переработка молока. 2002. №5 4.     Альбрехт С.Н. Разработка многоцелевого газожидкостного аппарата для интенсификации стадий перемешивания в производствах молочных комбинированных продуктов. Автореф. дисс. канд. техн. наук. – Кемерово, 1999. 5.     Бродский Ю.А., Будрик Г.В., Базиков В.И.  Создание и исследование  оборудования разработанного во ВНИМИ для производства молока, молочных продуктов и продуктов со смешанным сырьевым составом // Молоко. Молочные продукты и продукты со смешанным сырьевым составом: Сборник докладов 5 международной конференции. - Москва, 2002. 6.     Решение о выдаче патента РФ, заявка №2000125709 от 16.10.2000г. Установка для получения жидкотекучих многокомпонентных смесей. Авторы: Будрик В.Г., Новиков Г.С., Харитонов В.Д. 7.     Хатман К. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов // М.: Мир, 1977. 8.     Петрова С.П.  Современный подход к созданию современных функциональных пищевых добавок // Молоко. Молочные продукты и продукты со смешанным сырьевым составом: Сборник докладов 5 международной конференции. - Москва, 2002.