Московский авиационный институт (государственный технический университет)

 

 

Сквашенное молоко представляет собой жидкость с белковыми творожистыми сгустками. В массе находятся выращенные микроорганизмы. Их сохранение при сушке является важной задачей.

На сегодняшний день распространены два способа сушки:

a)                  Высушивание раствора, разлитого на поддоны, в замороженном состоянии под вакуумом (лиофилизация). Способ позволяет обеспечить высокую сохранность биологического материала, дает высокий уровень сушки (до 3% остаточной влажности). Получаемая в итоге пористая масса удобна для обработки после хранения, например для растворения.

b)                 Высушивание распыленного раствора в потоке горячего воздуха (распылительная сушка). Такая сушка имеет более высокую производительность, меньшую энергоемкость, но при этом выход годных (живых) микроорганизмов уменьшается, остаточная влажность обычно равна 7…8%. Процесс заключается в том, что летящие в потоке мелкие (порядка 50 мкм) капли раствора обильно теряют влагу за счет воздействия потока горячего воздуха, при этом ее собственная температура не повышается. Каждая капля сжимается силами поверхностного натяжения, в итоге получается плотная крупинка. Получаемые в результате сушки крупинки менее удобны для последующего растворения.

 

Проанализировав данные способы получения сухой массы с полезными микроорганизмами, можно выявить ряд проблем. В первом способе весь процесс занимает длительное время и малопригоден для производственных масштабов, т.к. имеет низкую удельную производительность (цикл сушки для раствора, разлитого слоем 10 мм, обычно продолжается 2…3 суток). При другом описанном способе сушки производительность хоть и выше чем при первом способе, однако, погибает значительная часть полезных бактерий. Проходя через зону воздействия потока теплого воздуха, в наружном слое капли живые бактерии умирают, предположительно из-за резкого увеличения концентрации солей и кислот. Для того, чтобы погибло как можно меньше бактерий, время воздействия потока невелико, поэтому мы получаем относительно высокую влажность крупинок. Если же попытаться получить полностью высушенную массу, то необходимо увеличить время нахождения капли в зоне горячего воздуха, что приведет к повышению температуры капли и бактерии начнут стремительно погибать. Не стоит забывать, что при распылении еще часть капель попадает на стенку аппарата, имеющую высокую температуру, и моментально погибает. Уже одно это обстоятельство приводит к потерям порядка 20%.

Имеем явное противоречие: если получать высушенную массу путем увеличения времени действия горячего воздуха, мы убьем все живые микроорганизмы, если захотим сохранить бактерии, то биомассу придется высушивать не до конца или в несколько этапов, что ведет к значительному увеличению длительности процесса.

Анализ существующих методов явно указывает на необходимость разработки принципиально новых методов высушивания биомассы, которые удовлетворяли бы всем выдвигаемым требованиям: максимальному сохранению живых бактерий, простоте использования, минимуму затрат и надежности, что, в свою очередь, является важнейшим показателем качества получаемого результата.

Воспользовавшись книгой Дж.К. Джонса «Методы проектирования», я выбрала наиболее оптимальный для моей задачи метод мыслительного процесса, с помощью которого в дальнейшем искала свои решения. Этот метод имеет название «Кумулятивная стратегия Пейджа».

 

Метод «Кумулятивная стратегия Пейджа» ставит своей целью увеличить затраты усилий проектировщика (или группы проектировщиков) на анализ и оценку и таким образом снизить вероятность появления непригодных решений, т.е. исключить затраты времени на разработку плохих проектов и научиться создавать хорошие.

План действий по данному методу:

1)                 Определить существенные цели, т.е. такие цели, достижения которых удовлетворяли бы поставленным требованиям.

2)                 Установить критерии, по которым можно отбирать проектные решения.

3)                 Установить внешние факторы, которые могли бы помешать выполнению нашей задачи.

4) Установить методику испытаний по каждому из критериев для того, чтобы:

- точность результатов была не большей чем необходимо, чтобы отличить приемлемое решение от неприемлемого;

- вначале проводить испытания, затрагивающие большее число альтернативных решений, а потом те, которые затрагивают несколько решений;

- доля затрат на проектирование от общей стоимости не превышала заданной величины.

 

Руководствуясь методом «Кумулятивной стратегии Пейджа», в своей работе я выделяю следующие направления решений:

       I.      Разделение воды и сухой массы с бактериями.

ИКР – сухая масса с живыми микроорганизмами сама отделяется от воды.

                II.                        Выпаривание воды из биомассы.

ИКР – вода сама исчезает и остается только сухая масса с живыми микроорганизмами.

             III.                        Выделение бактерий из общей биомассы и последующее их внедрение в сухую массу.

ИКР – полностью сохраненные живые бактерии.

 

Сухую массу вместе с микроорганизмами в сквашенном молоке можно отделять от воды с помощью оксида фосфора в эксикаторе. Эксикатор представляет собой стеклянную емкость с крышкой, на дно которой наливается наша биомасса. Также эксикатор имеет решетчатый поддон, на который помещается оксид фосфора.

Суть процесса заключается в следующем: оксид фосфора способен вытягивать воду и, используя это свойство, спустя некоторое время в эксикаторе на дне останется только сухая масса с бактериями. Оксид фосфора безвреден для микроорганизмов, и они останутся целыми, также во многом благодаря тому, что нашу биомассу не придется подвергать воздействию больших температур – весь процесс сушки проходит при комнатной температуре.

Недостаток данного метода: длительность процесса - требуются минимум сутки для того, чтобы высушить массу, кроме того, весьма затруднительно использовать данный метод в промышленных масштабах, т.к. эксикатор небольшой по размеру и вмещает в себя достаточно малый объем жидкости. Можно предложить следующий вариант по устранению недостатков: чтобы уменьшить время процесса, можно создать более вместительные эксикаторы и использовать сразу несколько, однако это приведет к такому нежелательному эффекту, как увеличение стоимости операции. В любом случае достоинством метода является его невысокая стоимость, простота использования и надежность применяемых средств, которые не имеют никаких сложных конструкций, просты в эксплуатации и имеют длительный срок службы.

Сульфат натрия представляет собой белую кристаллическую соль. Добавляем ее прямо в сквашенное молоко. Кристаллы сульфата натрия впитывают в себя воду и от того увеличиваются в размерах, превосходя частицы сухого молока с бактериями. После впитывания всей воды, фильтруем полученную смесь и отделяем кристаллы соли от молока.

Недостаток данного метода: длительность процесса и его трудоемкость. Сложно отделить соль от сухой молочной массы – некоторая ее доля отфильтруется вместе с солью и таким образом часть биомассы и бактерий будет утеряна. Если же сделать процесс фильтрации многократным, то длительность метода значительно возрастет. Проанализировав данный метод, можно также как и в предыдущем случае отметит невысокую стоимость, простоту использования и отсутствие сложных конструкций. Однако получение необходимого результата занимает большой промежуток времени и достаточно кропотливая работа.

Представим следующую конструкцию: емкость большого объема, в которую помещаем биомассу. В емкости находится мешалка. Перемешивание биомассы происходит за счет вихрей, возникающих на кромках мешалки. При высоких скоростях вращения мешалок перемешиваемая жидкость вовлекается в круговое движение и вокруг вала образуется воронка, глубина которой увеличивается с возрастанием числа оборотов. Для своей задачи я предполагаю использовать мешалки лопастного типа. Основные достоинства лопастных мешалок — простота устройства и невысокая стоимость изготовления. К недостаткам мешалок этого типа обычно относят тот факт, что вследствие незначительности осевого потока лопастные мешалки  перемешивают только те слои массы, которые находятся в непосредственной близости от лопастей мешалки. Однако данный недостаток нам идет на пользу и в результате работы лопастной мешалки ближе к стенкам емкости начинает скапливаться густая масса, которая нам и нужна.

Общая конструкция мешалки может выглядеть следующим образом:

 

Внутрь емкости на ее дно помещаем нагревательный элемент, который будет нагревать биомассу до 36-38 градусов и поддерживать эту температуру. Эта температура подходит для постепенного отделения сыворотки от общей массы и не дает погибнуть живым микроорганизмам.

К конструкции подсоединен винтовой насос, который откачивает сыворотку в другую емкость. Сыворотка также содержит полезные компоненты и может быть использована в дальнейшем молочном производстве.

Недостаток метода: дороговизна установки и длительность процесса, также метод «грязный» - откачиваемая насосом жидкость будет содержать и частицы биомассы с бактериями. А оставшаяся масса высушивается не до конца и затем ее необходимо дополнительно досушивать другими способами.

Можно вспомнить и совсем простой способ – естественная сушка на солнце. Молоко наливается в большие поддоны тонким слоем и оставляется в теплице под воздействием солнечных лучей. Спустя определенное количество времени вода из биомассы испарится и останется сухой слой. Метод очень простой в своем применении, но зависит от погодных условий. Можно использовать и искусственное освещение с заданной температурой, эффект будет примерно таким же.

Недостаток метода: длительность процесса. Кроме того, необходимо использовать крупногабаритные поддоны, вследствие чего требуется значительная площадь под теплицы. Если используется искусственное освещение и поддержание заданной температуры – значительные траты на электроэнергию.

Микрофильтрация молока – мембранный процесс, при котором разделение компонентов молока протекает под действием давления в проточном режиме при скоростях жидкости над мембраной 5 - 7 м/сек. Применение керамических мембран с порами 0,2 – 0,8 мкм позволяет удалять из молока бактерии (полезные микроорганизмы), которые мы собираем и сохраняем для последующего искусственного обогащения сухой биомассы.        

Метод имеет ряд преимуществ, так как полностью «спасаем» микроорганизмы практически без потерь, не подвергая их разрушающему воздействию других веществ и температур. Впоследствии мы можем высушить нашу молочную массу совершенно разными способами, не беспокоясь о сохранности бактерий. Недостаток метода: дороговизна оборудования. А также требуются дополнительные разработки и оборудование для последующего внедрения в сухую молочную массу сохраненных живых бактерий.

Необходимые нам бактерии искусственно выращиваем в лаборатории. При этом молоко можно высушивать совершенно разными способами, не волнуясь за гибель микроорганизмов. В итоге после сушки мы получаем «пустую» сухую массу, которую теперь необходимо наполнить бактериями, что может производиться в специальных отделениях при предприятии.

Недостаток метода: длительность и дороговизна процесса, требуются дополнительные затраты на проведение научно-исследовательских работ, но при этом отмечается высокая производительность и эффективность. Однако, на выходе системы предполагается получение необходимого результата и удовлетворение главного требования – сохранения максимального количества живых бактерий.

6. Сравнительная таблица.

В данной таблице я попытаюсь сравнить предложенные методы по пятибалльной шкале, где худший результат – это «0», а лучший соответственно – «5». Таким образом, я выступаю в роли эксперта. Для того, чтобы сравнить предложенные альтернативы решений, необходимо выбрать критерии оценки и сделать сравнительный анализ. Затем выбрать лучшие решения и наконец из них выбрать то, которое отвечает максимальному количеству требований, поставленных в задаче. Выбираем следующие параметры для оценок такие, как: продолжительность описанного метода (предполагаем, что для каждого метода мы берем одинаковое количество биомассы, которую нужно обработать), его стоимость, количество живых бактерий, сохраненных после проведенной операции, и «сухость» биомассы после операции.

Эффективность = время операции*весовой коэффициент времени + стоимость*весовой коэффициент стоимости + количество живых бактерий*коэффициент + «сухость» биомассы*коэффициент.

Для первого решения «применение оксида фосфора» эффективность =

= 1*3 + 3*3 + 4*3 + 4*4 = 40

 

Данная задача может быть рассмотрена как пример применения метода «кумулятивной стратегии Пейджа», который помог решить задачу поэтапно наиболее оптимальным способом.

В данном случае самым лучшим вариантом оказалась сушка биомассы в теплицах.