Предмет курса «Процессы и аппараты пищевых производств»
Пищевая промышленность включает много различных по назначению производств: крахмалопаточное, бродильное, хлебопекарное, производство сахара, мучных кондитерских и макаронных изделий и т. д. К пищевой промышленности относится также производство напитков, различных добавок.
Однако при всем разнообразии технологических процессов в пищевой промышленности многие из них являются общими для различных производств. В любом пищевом производстве встречается перемешивание. Его цель — обеспечить хороший контакт между различными веществами и таким образом интенсифицировать процесс либо растворения, либо химической реакции.
Во многих производствах (сахарном, кондитерском, консервном и др.) применяют выпаривание для повышения концентрации сухих веществ в растворе, например для обеспечения кристаллизации сахара, глюкозы и фруктозы. При хранении и переработке зерна, в консервном, макаронном, сахарном, кондитерском и во многих других производствах используют сушку.
Таким образом, процессы пищевых производств могут быть разделены на общие и специфические. Приоритет в изучении курса отдается процессам, имеющим общий характер и применимым в нескольких производствах.
Под термином процесс, который произошел от латинского слова processus (продвижение), в изучаемом курсе понимают производственный процесс, когда исходные материалы в результате физического, химического, механического и других воздействий превращаются в пищевые продукты. Эти превращения сопровождаются изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и химического состава вещества.
Процессы протекают в технологических аппаратах (от латинского слова apparatus — прибор, оборудование) или в машинах. Чаще всего аппарат представляет собой емкость, в которой неподвижно располагаются различные трубы, решетки, полки, кольца, тарелки, сепараторы для отделения капелек жидкости и т. д. Иногда в аппаратах монтируют вращающиеся механизмы для перемешивания жидких сред. В отличие от них машина — это механизм с внешним приводом, совершающий рабочими органами те же самые операции, которые выполняет человек подобными орудиями труда для совершения подобной работы.
История развития науки о процессах и аппаратах
Подавляющее большинство продуктов питания потребляется людьми в переработанном виде. Научные основы пищевой промышленности развиваются вместе с общим развитием научной и технической мысли.
Исторически пищевые производства развивались медленно. Например, сахаристые вещества, получаемые из сахарного тростника, были уже известны в ХШ в. до н. э. Их производили, например, в Индии и Китае. В священных писаниях Индии встречается слово «сахкара» для обозначения сладких веществ. От него и происходит слово «сахар». В XII в. до н. э. сахар распространяется в Персидской империи, в 330г. до н. э. он попадает в Македонию в результате завоевания Персии Александром Македонским. В VI—VII вв. н. э. сахар проникает в Северную Африку и Испанию в результате завоевания их арабами и, наконец, в XI—XIII вв. он распространяется по всей Европе. Этот этап распространения сахара связан с походами крестоносцев против мусульман.
Несмотря на то, что мед славянские народы начали потреблять за 6 тыс. лет до н. э., а сахар известен более 25 веков, кондитерские изделия были редкими и дорогими продуктами. Им приписывались целебные свойства. Изготовление кондитерских изделий было сосредоточено преимущественно в аптеках и на кухнях богатых вельмож. Предметами торговли конфеты, засахаренные фрукты, варенье и другие кондитерские изделия становятся лишь в середине XVII в.
Только вначале XIX в. в России был построен первый завод для выработки свекловичного сахара, что привело к развитию производства кондитерских изделий: кондитерские производства вышли из кухонь и аптек на широкий потребительский рынок. К этому же времени относится открытие способа производства патоки и глюкозы из крахмала и сооружение первых паточных заводов.
Один из основных разделов науки о процессах пищевых производств — гидравлика. Изучение каждого процесса переработки жидких и газообразных продуктов не обходится без использования законов гидравлики. Гидравлика — одна из самых древних наук. Вначале она развивалась по запросам основных видов деятельности человечества: водоснабжения, кораблестроения, создания гидравлических машин и др.
Первым научным трудом в области гидравлики считается трактат Архимеда (287—212гг. до н.э.) «О плавающих телах», который относят к 250 г. до н. э. В нем изложен открытый им закон. Архимед сделал ряд выдающихся открытий. Среди них — водоподъемная машина в виде архимедова винта, применяемая до наших дней.
Сведения о некоторых законах гидравлики были, видимо, известны и ранее, так как задолго до Архимеда строились оросительные каналы и водопроводы в форме желобов (акведуки). В Римской империи насчитывалось 14 акведуков. Самый древний из них построен в 312г. до н.э. Он имел длину 16,5км. Самый протяженный акведук имел длину 132км. Он был построен в г. Карфагене (северо-восточнее современного Туниса) в 76—138гг. Одним из самых древних можно считать акведук в Ассирийском царстве Ниневия на территории современного Ирака, построенный в 691г. до н. э.
Создание гидравлики как теоретической науки связано с Российской академией наук и ее двумя академиками — Эйлером (1707—1783) и Д. Бернулли (1700—1782). Эйлером составлена основная система уравнений движения идеальной жидкости. Его теория лопаточных гидравлических машин основана на признании эквивалентности различных форм механической энергии жидкости — статической и динамической. Возможности этой теории были оценены лишь спустя 100 лет, когда в 1835 г. инженер А. А. Саблуков создал центробежный насос.
С именем Д. Бернулли связано основное уравнение гидродинамики — уравнение сохранения механических форм энергии жидкости. Оно используется в большинстве гидродинамических задач.
Н. Е. Жуковский (1847—1921) создал теорию гидравлического удара в водопроводных трубах. Благодаря этому труду Москва навсегда освободилась от разрывов трубопроводов вследствие гидравлических ударов, от которых ранее постоянно страдала. Он создал также теорию движения наносов в реках и разработал основополагающие предложения в области фильтрации, стал основоположником современной гидроаэродинамики.
В 1791 г. в Петербурге А. Колмаков издал книгу «Карманная книжка для вычисления количества воды, протекающей через трубы, отверстия», которая служила первым справочником по гидравлике. Первое в России учебное пособие по гидравлике выпушено в 1836 г. П. П. Мельниковым под названием «Основания практической гидравлики, или о движении воды в различных случаях». В 1904 г. профессором И.Н. Куколевским опубликована разработанная им теория подобия гидродинамических насосов.
Идея общности ряда основных процессов и аппаратов, применяемых в различных химических производствах, в России была высказана профессором Ф. А. Денисовым. В 1828 г. он опубликовал труд «Пространное руководство к общей технологии или к познанию всех работ, средств, орудий и машин, употребляемых в различных химических искусствах».
В этом труде основные процессы пищевых производств раскрываются с общих научных позиций, а не с точки зрения применения в сахарном или пивоваренном производстве. Преимущество такого обобщенного подхода к изучению процессов состоит в том, что на основе использования законов базисных дисциплин (механика, гидродинамика, термодинамика, физика, математика и др.) изучаются общие закономерности протекания процессов независимо от того, в каком производстве этот процесс используют.
Идея обобщенного изучения процессов и аппаратов была поддержана Д. И. Менделеевым, который в 1897 г. опубликовал книгу «Основы фабрично-заводской промышленности». В ней он изложил принципы построения курса «Процессы и аппараты» и дал классификацию процессов, которая используется до сих пор.
f
Одновременно с А. К. Крупским курс по процессам и аппаратам начинает преподавать профессор И. А. Тищенко в Московском высшем техническом училище. Он был крупным специалистом по выпариванию. В 1911г. И. А. Тищенко публикует книгу «Теория расчета многокорпусных выпарных аппаратов», в 1913г. издает курс лекций «Основные процессы и аппараты химической технологии». Из зарубежных ученых, внесших вклад в становление этой науки, следует отметить американцев В. Бэджера и В. Мак-Кеба, выпустивших в 1931 г. монографию «Основные процессы и аппараты химических производств».
Всестороннее развитие наука о процессах и аппаратах получила в трудах А. Г. Касаткина, В. В. Кафарова, А. Н. Плановского, Н. И. Гельперина, П. Г. Романкова, Ю. JI. Дытнерского, В. Н. Стабникова, А. С. Гинзбурга, Г. Д. Кавецкого, С.М. Гребенюка и др.