Остапенко Ж. І. Інтенсифікація тепломасообмінних процесів при екстрагуванні рослинної сировини в умовах ультразвуку

English version

Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії

Державний реєстраційний номер

0826U000600

Облікова картка дисертації

0826U000600.pdf

Здобувач

Спеціальність

  • 133 - Галузеве машинобудування

Спеціалізована вчена рада

PhD 12355

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Анотація

Екстрагування біологічно активних речовин (БАР) з рослинної сировини є важливим процесом у фармацевтичній, харчовій, косметичній та біотехнологічній промисловості. Ефективність вилучення визначає економічність виробництва та якість продукції. Зростання попиту на екологічно чисті препарати зумовлює необхідність підвищення ефективності процесів без застосування агресивних реагентів і високих температур. Традиційні методи екстрагування характеризуються значною тривалістю, високими енерговитратами та низьким ступенем вилучення. Їх ефективність залежить від структури сировини, властивостей екстрагентів та інтенсивності тепломасообміну. Перспективним напрямом інтенсифікації процесів масо- та теплопереносу в системах «рослинна сировина – екстрагент» є застосування ультразвуку. Він ініціює кавітацію, що супроводжується утворенням і колапсом бульбашок, локальними перепадами тиску та мікротурбулізацією. Це спричиняє руйнування клітинних стінок, зменшення дифузійного шару, покращення тепломасообміну та прискорення дифузії. Ультразвуковий вплив дозволяє скоротити тривалість екстрагування і збільшити вихід БАР без підвищення температури, що важливо для термолабільних сполук. Метою дослідження є розробка науково обґрунтованих підходів до інтенсифікації процесів екстрагування БАР з рослинної сировини із застосуванням ультразвуку та оптимального підбору екстрагентів. Методи дослідження. Використано теоретичні, експериментальні та чисельні методи. Теоретичні дослідження базуються на законах масопереносу та розподілу компонентів між фазами. Для опису процесу застосовано рівняння конвективної дифузії та рівняння Нав’є-Стокса. На їх основі отримано залежності, що характеризують кінетику екстрагування та вплив технологічних параметрів. Експериментальні дослідження включали визначення складу екстрактів із застосуванням високоефективної тонкошарової хроматографії, що забезпечило ідентифікацію компонентів і оцінку ефективності процесу. Чисельне моделювання гідродинаміки та масопереносу виконано методами CFD у пакеті ANSYS CFX, що дозволило змоделювати поля швидкостей, тиску і концентрацій та оцінити вплив ультразвуку на процеси масообміну. Практичне значення полягає у можливості використання отриманих результатів для проектування, оптимізації та модернізації ультразвукових екстракційних процесів і апаратів. Встановлені закономірності можуть бути використані при виборі режимів роботи ультразвукових екстракторів. Розроблені математичні моделі дозволяють прогнозувати параметри процесу, що є основою для оптимізації технологічних режимів і скорочення тривалості екстрагування. Запропоновані підходи до моделювання можуть бути використані при інженерному проектуванні акустичних екстракторів. Результати можуть бути використані у фармацевтичній, харчовій та біотехнологічній галузях при створенні технологій отримання екстрактів БАР. Окремі технічні рішення захищені патентами України. Матеріали роботи впроваджено в навчальний процес. Наукова новизна. Вперше встановлено закономірності впливу ультразвуку на тепломасообмінні процеси для різних типів сировини та екстрагентів; розроблено модель процесу замочування з урахуванням капілярно-пористої структури. Удосконалено модель ультразвукового екстрагування БАР і підходи до моделювання акустичних екстракторів. У першому розділі проаналізовано традиційні та сучасні методи екстрагування, фізико-хімічні основи процесу, вплив властивостей сировини та параметрів ультразвуку. У другому розділі наведено методику експериментальних досліджень і результати дослідження впливу ультразвуку на структуру сировини. У третьому розділі досліджено кінетику екстрагування та побудовано математичну модель процесу. Проведено хроматографічний аналіз отриманих екстрактів для встановлення якісних та кількісних показників. У четвертому розділі розглянуто апаратурне забезпечення та проведено моделювання процесів у акустичному екстракторі. Особистий внесок здобувача полягає у виконанні теоретичних, експериментальних і чисельних досліджень, розробці моделей та аналізі результатів. Дисертаційна робота виконана на кафедрі біотехніки та інженерії НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», під керівництвом д.т.н., проф. Мельник В.М. Робота є результатом самостійних досліджень Остапенко Ж.І. За темою дисертації опубліковано 17 наукових праць, з них 5 статей, включаючи 2 статті у виданнях, що індексуються в Scopus, 3 – у фахових виданнях, 9 тез доповідей, отримано 3 патенти України. Ключові слова: ультразвук, екстракція, кавітація, математична та комп’ютерна модель, гідродинаміка, температура, екстракт, тепломасообмін, рослинна сировина, тверда речовина-рідина.

Читати повністю

Публікації

Karachun, V., Ruzhinska, L., & Ostapenko, Z. (2019). Research of influence of ultrasound on the extraction process of vegetable oil. Technology audit and production reserves. №1(3(45)), 33-35. https://doi.org/10.15587/2312-8372.2019.160344

Шибецький В.Ю., Остапенко Ж.І., Фесенко В.В. Дослідження гідродинаміки і теплообміну у виносних теплообмінних елементах екстракторів. Вібрації в техніці і технологіях. 2022. №1 (104). С. 132-137. https://doi.org/10.37128/2306-8744-2022-1-16

Остапенко Ж.І. Математичне моделювання процесу екстрагування акустичному екстракторі. Вібрації в техніці і технологіях. 2022. №3 (106). С. 44-48. https://doi.org/10.37128/2306-8744-2022-3-6

Ostapenko, Z. (2023). Determination of the influence of the sound capillary effect on the process of soaking vegetable raw materials in the acoustic extractor. Technology audit and production reserves № 1(3(69), 31-38. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2023.275236

. Korobiichuk, I., Mel’nick, V., Ostapenko, Z., & Ruzhinska, L. (2023) Study of heat and mass transfer processes during extraction of plant raw materials under the influence of ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry, 98, 106512. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2023.106512

Ostapenko Z.I. Mathematical model of the oil extraction from plant raw material. Матеріали ХХІІ Міжнародної науково-практичної інтернет-конференції «Наука та освіта: досягнення та стратегії розвитку» (4 листопада 2019 р.). Дніпро: ГО «НОК», 2019. с. 25-28

Ostapenko Z.I. Experimental investigation of the extraction process in ultrasonic conditions. Materials of the Third International Scientific Multidisciplinary Conference of Students and Beginner Scientists “Modern Technologies: Improving the Present and Impacting the Future: International Scientific Multidisciplinary Conference of Students and Beginner Scientists (dedicated to the 90th anniversary of the University)”. (27 November 2019). Дніпро: Дніпровський нац. ун-т залізн. трансп. ім. В. Лазаряна, 2019. c. 43-44

Остапенко Ж.І. Ультразвукова екстракція як ресурсоефективна альтернатива вилучення цільових продуктів із сировини. Матеріали ХV Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Біотехнологія XXI століття» (23 квітня 2021 р.). Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. 201 с

Остапенко Ж.І., Фесенко В.В. Вдосконалення конструкцій циркуляційно-акустичного екстрактора для екстракції бар з рослинної сировини. Матеріали ХVІ Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Біотехнологія XXI століття» (Київ, 3 червня 2022) [Електронне видання]. Міністерство освіти і науки України, КПІ ім. Ігоря Сікорського, Національна академія наук України, Інститут клітинної біології та генетичної інженерії. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 204с

Ружинська Л.І., Остапенко Ж.І. Особливості процесу екстрагування бар з рослинної сировини в умовах ультразвукового випромінювання. Матеріали ХVІ Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Біотехнологія XXI століття» (Київ, 3 червня 2022) [Електронне видання]. Міністерство освіти і науки України, КПІ ім. Ігоря Сікорського, Національна академія наук України, Інститут клітинної біології та генетичної інженерії. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 204с

Korobiichuk I., Mel’nick V., Ostapenko Z., Ruzhinska L. Investigation of heat and mass transfer processes in the extraction of vegetable raw materials under the conditions of ultrasound. 22nd International Scientific Multidisciplinary Conference on Earth and Planetary Sciences SGEM 2022. 2-11 July, 2022

Остапенко Ж.І., Волошенко І.В. Визначення залежності утворення кавітаційних бульбашок від частоти ультразвукових коливань. Матеріали ХVІІ Міжнародної науково-практичної конференції «Біотехнологія ХХІ століття» 19 травня 2023. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023, с. 308-310

Остапенко Ж.І., Ружинська Л.І. Вплив фізичних властивостей екстрагентів на виникнення ультразвукової кавітації при екстрагуванні бар з рослинної сировини. Матеріали ХVІІ Міжнародної науково-практичної конференції «Біотехнологія ХХІ століття» 19 травня 2023. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023, с. 311-313

Ostapenko Z., Honcharenko K. Influence of ultrasonic cavitation on the structure of plant raw material. Матеріали ХVІІІ Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів і молодих вчених «Біотехнологія ХХІ століття». 17 травня 2024. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024, 331 с

Поводзинський В.М., Ружинська Л.І., Остапенко Ж.І. Ферментер з протифазним вібраційним перемішуванням. Пат. на кор. модель № 136498 Україна: МПК С12М1/04 (2006.01). № u201901489; заявл. 14.02.2019; опубл. 27.08.2019, Бюл. №16. 2 с

. Поводзинський В.М., Ружинська Л.І., Остапенко Ж.І. Вібраційний екстрактор. Пат. на кор. модель № 136500, Україна: МПК B01D11/02 (2006.01). № u201901491; заявл. 14.02.2019; опубл. 27.08.2019, Бюл. № 16. 2 с

Остапенко Ж.І., Ружинська Л.І., Шибецький В.Ю., Фесенко В.В. Циркуляційно-акустичний екстрактор. Пат. на кор. модель № 154110, Україна: МПК B01D11/02 (2006.01), C11B 1/10 (2006.01). № u202301177; заявл. 21.03.2023; опубл. 12.10.2023, Бюл. № 1. 2 с

Читати повністю

Схожі дисертації

0826U000110

Замрій Михайло Анатолійович

Обґрунтування параметрів та режимів роботи обладнання для сушіння насіннєвої маси люцерни

0825U004310

Дідик Андрій Михайлович

Обґрунтування конструктивно-технологічних параметрів вібраційної машини для сушіння волоських горіхів

0825U004088

Федишин Богдан Миколайович

Обґрунтування параметрів землерийного робочого обладнання з рухомим косокутним ножем

0825U003641

Євтушенко Святослав Олександрович

Вплив режимних і геометричних параметрів камери змішування на ефективність рідинно-парового струминного апарату

0825U003636

Череватенко Галина Ігорівна

Підвищення ефективності функціонування орного агрегату покращенням тягово-зчіпних властивостей