Введение Производство экстрактов и концентратов био- логически активных веществ методом экстрагирования плодово-ягодного сырья является эффектив- ным технологическим решением, обеспечивающим максимально полное использование сырьевых ресурсов при минимальных эксплуатационных затра- тах на оборудование [1, 10]. Схему технологии производства концентриро- ванных экстрактов из плодово-ягодного сырья диффузионным методом можно представить в следующем виде [2]. ртировка, Подготовка сырья (очистка от примесей, со взвешивание) ание, фи Подготовка экстрагента (темпериров льтрование) Экстрагирование плодово-ягодного сырья ↓ Разделение полученной суспензии на шрот и экстракт Фильтрование и осветление экстракта Прессование шрота ↓ ↓ Концентрирование экстракта под вакуумом Сушка шрота ↓ ↓ Пастеризация концентрированного экстракта Измельчение высушенного остатка ↓ ↓ Фасовка и хранение пастеризованного экстракта Фасовка и хранение сухого препарата Повысить эффективность рассматриваемой тех- нологии за счет увеличения массы извлеченных целевых компонентов из обрабатываемого сырья и одновременно за счет уменьшения продолжительности процесса экстрагирования возможно благодаря созданию в рабочем объеме экстрактора интенсив- ного гидродинамического режима. Разработка мас- сообменных аппаратов, реализующих метод нало- жения на обрабатываемую систему поля низкоча- стотных механических колебаний (НЧМК), является перспективным способом интенсификации процесса экстрагирования, поскольку характеризуется мини- мальными капиталовложениями и затратами на под- держание работы оборудования [3, 8]. Проведенные в работах [3, 8, 9] исследования показали высокую стабильность работы экстракто- ров с вибрационной насадкой в различных техно- логических системах. Полученные результаты объ- ясняются тем, что использование экстрактора с вибрационной насадкой позволяет избежать потери обрабатываемого продукта, уменьшить количество межоперационных перемещений перерабатываемо- го сырья и повысить производительность линии в целом за счет сокращения единиц оборудования в технологическом потоке. Минимизация отрицательного влияния факто- ров окружающей среды и повышение стабильности технологических процессов (усиление внут- ренних связей системы) при внедрении в техноло- гический поток экстрактора с вибрационной насадкой во многом предопределяют целостность и качество разрабатываемого технологического потока [4, 7, 5]. Цель настоящих исследований - расчет ста- бильности функционирования подсистемы образо- вания промежуточного продукта в технологиче- ском потоке производства концентрированных экс- трактов из замороженных плодов рябины красной на ОАО «Кемеровская фармацевтическая фабрика» при использовании модернизированного оборудо- вания - экстрактора с вибрационной насадкой не- прерывного действия, оснащенного контуром внешней рециркуляции. Объекты и методы исследований Операторная модель технологии производства концентрированных плодово-ягодных экстрактов при использовании экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия представлена на рис. 1. Рис. 1. Операторная модель технологической системы производства концентрированных экстрактов из замороженного плодово-ягодного сырья В операторной модели приняты следующие обозначения: А1 - подсистема получения пастеризованного экстракта с показателями качества, соответствую- щими стандарту, содержащая операторы: I - охла- ждения пастеризованного экстракта; II - пастериза- ции концентрированного экстракта; III - концен- трирования осветленного экстракта; IV - нагрева- ния экстракта до температуры концентрирования; А2 - подсистема получения измельченного сухо- го шрота с показателями качества, соответствую- щими стандарту, содержащая операторы: I - из- мельчения высушенного шрота; II - конденсации паров экстрагента; III - сушки шрота; В - подсистема получения осветленного экс- тракта с заданными технологическими показателя- ми качества, содержащая операторы: I - фильтро- вания экстракта; II - отжатия экстракта из шрота; III - разделения суспензии на шрот и экстракт; С - подсистема образования промежуточного продукта с заданными технологическими показателями качества, содержащая операторы: I - перера- ботки замороженного плодово-ягодного сырья; II - инспекции сырья. Технологический поток ввиду возможности по- лучения двух продуктов: пастеризованного экс- тракта и измельченного сухого шрота имеет разветвленную расходящуюся структуру. Переработка замороженного плодово-ягодного сырья, находящаяся в начале технологического потока, в подсистеме С, представляет собой соче- тание ряда процессов в одном аппарате: смешива- ние замороженных плодов с экстрагентом, размо- раживание плодов, разрушение плодов, образова- ние суспензии и экстрагирование целевых компо- нентов из разрушенной твердой фазы. Учитывая сложность получения промежуточного продукта и влияние его характеристик на качество получаемо- го экстракта, переработку замороженного плодово- ягодного сырья можно рассматривать как узкое место технологической системы. При многотоннажном производстве концентрированных плодово-ягодных экстрактов наиболее предпочтительно использование в технологическом потоке экстрактора с вибрационной насадкой не- прерывного действия, являющегося аппаратом II класса, поскольку процессы переработки совер- Стабильность функционирования подсистем ηi можно рассчитать, допуская предел отклонения этого значения на величину, не превышающую 5 %, E шаются в нем одновременно с перемещением обра- батываемой среды. Для проведения остальных тех- нологических операций целесообразно использова- i  1  i Emax , (2) ние оборудования не ниже II класса, позволяющего организовать непрерывную структуру технологиче- ского цикла. В качестве способа повышения концентрации целевых компонентов в производимом экстракте при переработке замороженного плодово-ягодного сырья рекомендуется использование в экстракторе контура внешней рециркуляции [6]. Производительность по твердой фазе составляла 10 кг/ч при гидромодуле 1/4, частоте колебаний насадки 16,7 Гц и амплитуде - 14 мм. Габаритные размеры корпуса экстрактора: диаметр 150 мм, вы- сота 640 мм; количество тарелок в насадке 4; диа- метр тарелок 146 мм; диаметр отверстий перфора- ции в тарелке 3 мм; живое сечение тарелки 16,5 %; толщина тарелок 3 мм. В качестве контролируемого параметра ста- бильности функционирования подсистемы С при- нята концентрация сухих растворимых веществ (СРВ) в промежуточном продукте. На основании результатов проведенных исследований экстракто- ра с вибрационной насадкой непрерывного дей- ствия при переработке замороженных плодов ряби- ны красной было установлено значение концентра- ции СРВ в промежуточном продукте, при котором наблюдалась его стабильная работа: при работе без контура внешней рециркуляции эта концентрация составила 4,2 % масс.; с контуром внешней рецир- куляции - 6,8 % масс. Для других подсистем были выбраны соответствующие контролируемые пара- метры: B, А1 - массовая доля осадка в экстракте; А2 - остаточная влажность измельченного сухого шрота. По значениям проб выборки, разбитых на два ин- тервала: удовлетворяющих и не удовлетворяющих выбранным пределам, рассчитывалась стабильность подсистем. Число проб выборки n рассчитывалось согласно следующим рекомендациям [5] z2 y (1  y) где Ei  (U  log2U  (1  U )  log2 (1  U )) - энтропия подсистемы, соответствующая данному распределению значений величины концентрации СРВ в экстракте (здесь U - вероятность попадания случайной величины в область допускаемых значе- ний); Emax = 1 - соответствующий закону равно- мерного распределения максимум энтропийной функции. Слагаемые (-U∙log2U) и (1 - U)∙log2(1 - U) для расчета Ei при различных значениях соответству- ющих вероятностей U и (1 - U) приняты согласно табличным данных [5]. Уровень целостности системы (рис. 1) склады- вается следующим образом: CBA1  C  B/C  A1/CB  2 ; (3) CBA2  C  B/C  A2/CB  2 , (4) где ηС - стабильность подсистемы С; ηB/C, ηA1/CB, ηA2/CB - условные стабильности одной подсистемы относительно другой. Результаты и их обсуждение Согласно представленным в табл. 1 результатам использование в технологическом потоке экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного дей- ствия, оснащенного контуром внешней рециркуляции, обеспечивает достаточно высокую стабильность функционирования подсистемы С, равную 1, по сравнению с 0,47 (без контура внешней рецир- куляции). Уровень целостности системы при использова- нии экстрактора, оснащенного контуром внешней рециркуляции: CBA1  1  1  0,75  2  0,75 ; CBA2  1  1  1  2  1. Уровень целостности системы при использовании n  P 2 , (1) экстрактора без контура внешней рециркуляции: ; где zP - нормированное отклонение с соответству- ющей вероятностью; y - доля признака среди ото- бранных образцов; Δ - половина доверительного интервала. Предварительные исследования показали, что при zP = 1,96, соответствующей вероятности 0,95 [5]; y = 0,5 и Δ = 0,2, требуемое число выборки со- ставило 25 проб. CBA1  0, 47  0,6  0, 6  2  0,33 CBA2  0, 47  0,6  1  2  0,07 . Полученные результаты показали, что подси- стема С оказывает наибольшее влияние на уровень целостности системы посредством влияния на ста- бильности функционирования последующих под- систем B и А1. Таблица 1 -(1-U) log2(1 - U) Результаты расчета стабильности функционирования подсистем технологической системы производства концентрированных плодово-ягодных экстрактов Подсистема Оцени- ваемый период Объем выбор- ки, шт. Число проб U 1 - U -U∙log2U   Ei ηi в 1-минтерва- ле во 2-минтерва- ле С контуром внешней рециркуляции C 60мин 25 25 0 1 0 0 0 0 1 B 60мин 25 25 0 1 0 0 0 0 1 A2 60мин 25 25 0 1 0 0 0 0 1 A1 60мин 25 24 1 0,96 0,04 0,06 0,19 0,25 0,75 Без контура внешней рециркуляции C 60мин 25 22 3 0,88 0,12 0,16 0,37 0,53 0,47 B 60мин 25 23 2 0,92 0,08 0,11 0,29 0,4 0,6 A2 60мин 25 25 0 1 0 0 0 0 1 A1 60мин 25 23 2 0,92 0,08 0,11 0,29 0,4 0,6 Для идеально целостной системы характерно значение уровня целостности, равное 1. Следова- тельно, использование экстрактора, оснащенного контуром внешней рециркуляции, не вызывает снижение стабильности функционирования подси- стемы С и, кроме того, повышает уровень целост- ности всей системы. Стабильная работа экстрактора, оснащенного кон- туром внешней рециркуляции, объясняется его ос- новным преимуществом - выравниванием поля кон- центраций СРВ по высоте рабочего объема экстрактора. Это позволяет судить о постоянстве остальных свойств получаемого промежуточного продукта (плотности, вязкости, органолептических показателях и др.), способствующих стабильной работе оборудо- вания на дальнейших технологических операциях. Таким образом, энтропийная оценка стабильно- сти функционирования подсистемы С, выполнен- ной на базе экстрактора с вибрационной насадкой непрерывного действия, оснащенного контуром внешней рециркуляции, показала высокий уровень ее организованности.