технические
науки /12 автоматизированные
системы управления на производстве
аспирант Стефанкин А.Е.
«Кемеровский
технологический институт пищевой промышленности»,
г. Кемерово, Россия
Аспекты
АВТОМАТИЗАЦИи мембранных ПРОЦЕССов
Мембранные методы эффективны в
ряде процессов, связанных с концентрированием, очисткой и фракционированием
жидких пищевых продуктов. Использование мембранных методов позволяет создать
экономически высокоэффективные и малоотходные технологии переработки сырья
животного происхождения, способствует улучшению качества пищевых продуктов, их
биологической ценности и более полной переработке и использованию. Мембранные
методы характеризуются сравнительно низкими энергетическими затратами и
экологичностью.
Мембраны, как и другие фильтрующие
материалы, можно рассматривать как полупроницаемые среды: они пропускают растворитель,
но не пропускают, точнее, хуже пропускают растворенные вещества. Однако если
обычное фильтрование применяют для удаления относительно крупных образований –
дисперсных и крупных коллоидных примесей, то мембранные технологии – для
извлечения мелких коллоидных частиц, а также растворенных высокомолекулярных
соединений.
В настоящее время метод мембранной очистки
получил широкое применения в самых разных отраслях и сферах промышленности –
медицинской, строительной, пищевой, химической и многих других.
Важной задачей остается
повышение эффективности мембранных методов переработки жидких пищевых
продуктов. В том числе путем создания систем автоматического управления с
применением современных технических средств и методов.
Основным показателем проведения
мембранного процесса служит концентрация растворенных веществ. Рассмотрим
основные методы ее измерения: нефелометрия, турбидиметрия, рефрактометрия.
Нефелометрия – метод исследования
и анализа вещества по интенсивности светового потока, рассеиваемого взвешенными
частицами данного вещества. Интенсивность рассеянного светового потока зависит
от множества факторов, в частности от концентрации частиц в пробе. Для
измерения интенсивности рассеянного света используются специальные приборы –
нефелометры. Их действие основано на уравнивании двух световых потоков: одного
от рассеивающей взвеси, другого от матового или молочного стеклянного
рассеивателя прибора. Нефелометры используют для определения мутности вин,
пива, соков и др. В настоящее время главным образом распространены лабораторные
нефелометры, например, нефелометр TurbiCheck с инфракрасным источником света
компания Lovibond [1]. Такие приборы при
создании систем автоматического управления не применимы.
Турбидиметрия – метод
количественного анализа вещества. Принцип метода основан на измерении
интенсивности света определенной длины волны, прошедшего через суспензию,
образованную частицами определяемого вещества. Генерируемый пучок света
пропускается через образец и измеряется с помощью двух датчиков, установленных
в направлении 90º друг к другу. При подаче луча некоторая его часть
рассеивается в жидкости, и в зависимости от интенсивности свечения можно
определить количество, форму, цвет и размер взвешенных частиц. Метод очень
похож на метод нефелометрии, однако в отличие от него, аналитическим сигналом
служит интенсивность не рассеянного света, а прошедшего. Приборы, использующие
метод турбодиметрии, называют турбидиметрами или мутномерами. Сфера применения
мутномеров довольно широка: химическая и нефтехимическая промышленность,
медицина, экология и т.д. В пищевой промышленности метод применяют при
определении мутности вин, пива, соков, кваса, молочных продуктов и др. Данный
метод измерения обеспечивает высокую достоверность измерений и позволяет делать
точные выводы о композиции смеси и концентрации взвешенных в ней частиц.
Распространение получили как лабораторные приборы, например, мутномеры 2100 компании
HACH [2], так и поточные, например, TF16 и AF45 компании Optek [3].
Рефрактометрия – метод
исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента)
преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия
(рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических
соединений, количественного и структурного анализа, определения
физико-химических параметров веществ. Принцип действия рефрактометра основан на
физическом явлении полного внутреннего отражения и преломления света на границе
раздела двух сред с различными показателями преломления (измерительная призма –
исследуемое вещество) и определении критического угла, при котором падающий на
границу раздела двух сред луч света, преломляется и выходит параллельно
поверхности измерительной призмы. Пучок света от источника излучения,
сформированный оптическим конденсором и входной линзой, преломляется и
отражается внутри измерительной призмы и попадает на границу раздела
измерительной призмы с исследуемым веществом. Часть лучей, угол падения которых
на границу раздела больше критического угла, полностью отражаются от внутренней
поверхности призмы и формируют, светлую часть изображения на фотоприемнике.
Другая часть лучей, угол падения которых меньше критического, частично
преломляются и проходят в вещество, частично отражаются от границы раздела, и
формируют темную часть изображения на фотоприемнике. В результате на
фотоприемнике наблюдается граница «свет-тень», соответствующая критическому
углу выхода лучей из измерительной призмы. Положение границы «свет-тень» в
плоскости фотоприемника зависит от соотношения показателей преломления
материала измерительной призмы и исследуемого вещества, а также длины волны
источника излучения. Поскольку оптические характеристики материала призмы и
длина волны источника излучения постоянны, то по положению границы раздела
«свет-тень» в плоскости фотоприемника можно однозначно определить показатель
преломления исследуемого вещества.
В настоящее время известны
лабораторные и промышленные (поточные) рефрактометры. Наиболее крупным
производителем рефрактометров является инженерный центр Технокон [4]. Промышленные рефрактометры ПР-1М и ПР-2
предназначены для непрерывного измерения концентрации растворов различных
жидкостей в промышленных технологических процессах. Рефрактометры могут
применяться в пищевой, целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической и
других отраслях промышленности. Принцип действия исключает влияние цвета
раствора, пузырьков воздуха, твердых частиц. Промышленные рефрактометры ПР-3 и
ПР-3У разработаны для применения в пищевой промышленности для измерения
концентрации сиропов, соков, джемов, алкогольных и безалкогольных напитков,
томатной пасты, молочных и других продуктов, в производстве сахара. Может
эффективно применяться для решения различных задач в фармацевтической,
химической и других отраслях промышленности.
При
построении современных систем автоматического управления мембранными процессами
рекомендуется использовать приборы Технокон, характеризующиеся возможностью их
включения в непрерывный процесс измерения, широким спектром действия, малой
погрешностью измерений и т.д.
Список
литературы
1. Компания Lovibond. URL http://www.lovibond.com/
2. Компания HACH. URL http://www.hach.com/
3. Компания Optek. URL http://www.optek.com/
4. Инженерный центр Технокон.
URL http://www.tcon.ru/