Злобин Дмитрий Леонидович. Математические модели процессов при брожении полуфабрикатов хлебопекарного производства

brief description

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ
На правах рукописи
ЗЛОБИН ДМИТРИЙ ЛЕОНИДОВИЧ
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ПРИ БРОЖЕНИИ ПОЛУФАБРИКАТОВ ХЛЕБОПЕКАРНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Специальность 05. 13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Краснов А.Е.
Москва - 2005
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение 4
Глава 1. Аналитический обзор 9
. 1.1. Имитационное моделирование - современный метод моделирования
процессов пищевых производств 9
1.1.2. Объекты моделирования 10
1.1.3. Методология имитационного моделирования 11
1.1.4. Структура моделей 13
1.1.5. Анализ и синтез процесса моделирования 16
1.1.6. Требования к хорошей модели 19
1.1.7. Реализация задачи моделирования и документирование объекта 20
Выводы к главе 1 21
Глава 2. Современный подход к вопросам моделирования процессов при брожении полуфабрикатов хлебопекарного производства 23
2.1. Современное описание гетерогенных пищевых сред 23
2.2. Хлебопекарная среда (система) как объект исследования 25
2.2.1. Анализ структуры белкового комплекса 25
2.2.2. Анализ структуры углеводного (крахмального) комплекса 27
2.2.3. Анализ структуры липидного (жирового) комплекса 29
2.3. Современные методы контроля качества хлебопекарных сред 30
Выводы к главе 2 34
Глава 3. Программное обеспечение имитационного моделирования ^
3.1. Существующее математическое программное обеспечение, его досто¬инства и недостатки (MathCad, Mathematica, Maple, Statistica) 35
3.2. Привлекательные средства разработки проіраммного обеспечения для
имитационного моделирования 45
Выводы к главе 3 (выбор средств разработки) 50
Глава 4. Имитационное моделирование процессов при брожении полуфаб-
з
рикатов хлебопекарного производства ^2
4.1. Анализ и моделирование процесса производства хлебобулочных изде-лий 52
*
4.2. Анализ и моделирование процесса брожения хлебопекарных полуфаб-рикатов 56
4.2.1. Моделирование коллоидных процессов и их программная реализация 66
4.2.2. Моделирование ферментативных процессов и их программная реали¬зация 70
4.2.3. Моделирование микробиологических процессов и их программная реализация 76
4.2.3.1. Исследование взаимосвязи величин титруемой и активной кислот¬ности 77
4.2.3.2. Моделирование процесса накопления спирта 83
4.3. Анализ и моделирование процесса расстойки тестовых заготовок 85
4.4. Регрессионная модель качества хлебобулочных изделий 89
Основные результаты и выводы диссертационной работы 93
Список использованной литературы 95
Приложение 1 111
Приложение 2 113
Приложение 3 114
Приложение 4 116
Приложение 5 117
Приложение 6 119
Приложение 7 121
Введение.
Основные направления и актуальность исследований. Хлеб и хлебо¬булочные изделия являются традиционным продуктом питания человека.
Одной из современных тенденций развития хлебопекарной промыш-ленности является производство конкурентоспособных хлебобулочных из¬делий с заданным химическим составом (по белку, углеводам, жирам, ви¬таминам и т.д.), оптимальных по пищевой и энергетической ценности, эко¬логически чистых и соответствующих стандартным нормам качества. По¬этому разработка новых и совершенствование существующих технологий производства хлебобулочных изделий является актуальной задачей.
В последнее время большое внимание уделяется технологическим про-цессам, в которых используется жизнедеятельность организмов, так называемые биотехнологические процессы.
В общем понимании биотехнология - это интегированное использова¬ние биохимии, микробиологии, молекулярной биологии и прикладных на¬ук в исследовании технологических процессов.
Современным инструментом исследования процессов, протекающих при производстве хлебобулочных изделий заданного состава и свойств в современных условиях, является применение новых технологий и высоко-производительного оборудования, средств оперативного контроля и соот-ветствующего математического обеспечения этих производств.
Степень разработанности проблемы. Для моделирования технологий в реально существующих условиях производства следует учитывать: объ-ективную информационную неопределенность, обусловленную нечетко¬стью характеристик сырья; отсутствие надежных и недорогих экспресс - анализаторов для определения качественных показателей в цикле “сырье - полуфабрикат - готовый продукт”; большую размерность технологических задач. Результаты нечеткого моделирования в условиях неопределенности описаны в работах Серебрякова А.В., Трефи лова В.А.(масложировое про¬изводство); Митина В,В,, Протопопова И.И., Рогова И.А., Липатова Н.Н.,
Красули О.Н., Краснова А.Н. (переработка мяса); Тужилкина В.И., Голь- денберга С.П (производство сахара); Zhang Q. (производство кондитерских изделий) и почти отсутствет информация по этому вопросу при производ¬стве хлебобулочных изделий.
Таким образом, необходимость учета информационной неопределенно¬сти при моделировании технологических процессов производства хлебо-булочных изделий является актуальной задачей, требующей изменений, как методологических подходов, так и инструментов (методов, алгорит¬мов, программ) при совершенствовании и разработке современных техно¬логий этого производства. Решение этой задачи будет способствовать по¬вышению качества хлебобулочных изделий.
Исходя из анализа изученной литературы, одним из основных научных направлений исследования современных технологий является моделирова¬ние - как инструмент формализации состояния объекта с помощью мате-матического описания его. В частности - это моделирование технологии брожения (созревания) полуфабрикатов, а также прогнозирования опти-мальной готовности их для дальнейшей переработки, так как именно на этом этапе формируется внешний вид, форма, структура, приятный вкус и аромат хлебобулочного изделия.
Цель и задачи исследования.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка мате-матических моделей технологических процессов, протекающих при бро-жении полуфабрикатов хлебопекарного производства.
В соответствии с поставленной целью основными задачами исследова¬ния являются:
- разработка методологии и алгоритмов моделирования технологи-ческих процессов, протекающих при брожении полуфабрикатов, на основе стохастического имитационного моделирования;
- разработка моделей коллоидных, биохимических и микробиологи-ческих процессов (преобразований), протекающих при брожении полу-
фабрикатов и их реализация;
- использование предложенных моделей (коллоидных, биохимиче¬ских и микробиологических процессов) для совершенствования методов контроля качества полуфабрикатов хлебопекарного производства.
Научная новизна.
В диссертационном исследовании впервые автором получены следую¬щие научные результаты:
- предложены (в первом приближении) математические модели процессов (коллоидных, биохимических и микробиологических), проте-кающих при брожении полуфабрикатов хлебопекарного производства;
- обосновано использование моделей коллоидных, биохимических,
и микробиологических процессов для совершенствования метода контро¬ля качества полуфабрикатов и хлебобулочных изделий;
- предложена методология формирования критерия качества хлебо-булочных изделий и регрессионная модель хлеба сорта “Орловский”.
Практическая значимость разработок, полученных лично автором:
- предложен метод контроля оптимальной готовности полуфабрика¬тов по величине ОВП;
- выявлена тесная корреляционная взаимосвязь величин титруемой (град °Н) и активной кислотности (ед. pH) и разработаны регрессионные модели взаимосвязи этих величин при производстве 2-х сортов хлебобу¬лочных изделий;
- определены номиналы величины pH этих сортов хлебобулочных из-делий, которые обеспечивают производство продукции стандартного каче¬ства.
- предложен проект ГОСТа и произведен расчет экономической эф-фективности внедрения потенциометрического метода контроля кислотно¬сти хлебопекарных сред по величине pH.
Реализация результатов диссертационного исследования.
Разработанные математические модели биотехнологических процессов основных составляющих комплексов дисперсных систем пищевых продук¬тов использованы в рамках проводимого в 2003 — 2004 г. международного проекта “Разработка принципов управления качеством пищевых продук¬тов с использованием информационных технологий”, раздел “Информаци¬онные технологии моделирования гетерогенных рецептурных смесей с дисперсными фазами”( Госконтракт № 43.700.11.003).
Практические результаты работы реализованы в ряде хоздоговорных НИР, выполненных с участием автора диссертации в рамках инициатив¬ных тем МГТА.
Результаты проведенных исследований использовались при написании учебного пособия (с грифом УМО) “ Цифровые системы управления в пи-щевой промышленности”. Издательство “Высшая школа” (план издания - И квартал 20005 г.), 408 с.
Апробация работы.
Апробация работы осуществлена на ЗАО ИПП в декабре 2004 г. Пред-ставлен акт внедрения и расчет экономической эффективности потенцио-метрического метода контроля кислотности муки по величине pH (см. Приложение 7).
Основные положения и результаты исследований докладывались и об-суждались на нижеследующих конференциях:
Краснов А.Е., Злобин Д.Л. Разработка модели анализа и прогнозирова¬ния технологических процессов на основе метода “затраты - выпуск”. Доклад на научно-практической конференции МГТА, март-апрель 2003 г.;
Краснов А.Е., Злобин Л.А., Злобин Д.Л. Цифровые системы управления в пищевой промышленности. Учебное пособие (гриф УМО), 408 с. Доклад на международной российско-итальянской научно-методической конфе¬ренции “Роль государственных образовательных стандартов в условиях реализации Болонской декларации”, 22-23 марта 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 1 учебное пособие с грифом УМО ( в соавторстве).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения , 4 глав, выводов, списка литературы, включающей 154 наименований (из них 38 иностранных) и 7 приложений. Работа изложена на 121 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц и 12 рисунков.

bibliography

Основные результаты и выводы диссертационной работы.
1. Аналитический обзор показал необходимость исследования и моде-лирования процессов, протекающих при брожении (созревании) полуфаб¬рикатов с целью оптимизации и совершенствования технологии производ¬ства хлебобулочных изделий.
2. Предложены (в первом приближении) математические модели колло-идных, биохимических и микробиологических процессов, протекающих при брожении (созревании) полуфабрикатов с целью оптимизации и про-гнозирования готовности их для дальнейшей переработки, для этого:
- предложена программная реализация моделей этих процессов;
- рекомендовано использовать предложенные математические модели коллоидных, биохимических и микробиологических преобразований, для контроля оптимальной готовности полуфабрикатов по величине ОВП.
3. Выявлена тесная взаимосвязь величин титруемой (град °Н) и активной кислотности (ед. pH) и разработаны регрессионные модели этих величин, которые обеспечат объективный и оперативный контроль кислотности по величине pH при производстве хлебобулочных изделий.
4. Предложены номиналы величины pH для 2-х сортов хлебобулочных изделий, которые обеспечат производство их стандартного качества.
5. Предложена методология и регрессионная модель (в первом прибли-жении) формирования и оценки качества хлебобулочных изделий, на при¬мере производства формового хлеба сорта “Орловский”.
6. Предложен проект ГОСТа “Потенциометрический метод определения кислотности муки, полуфабрикатов и хлебобулочных изделий путем из-мерения величины pH” (см. Приложение 5).
7. Произведен расчет экономической эффективности при внедрении по-тенциометрического метода контроля кислотности хлебопекарных сред по величие pH (см. Приложение 6).
Список использованной литературы
1. Ауэрман Л.Я. Технология хлебопекарного производства. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984г. — 414с.
2. Авраменко В.Н., Нсельсон М.П. Спектральный анализ в пищевой промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1979 г., 182 с.
3. Алишмарин И.П,, Петриков М.Н. Об изменении pH в малых объемах растворов. «Аналитическая химия», 1968, т.23, вып. 7. стр 142.
4. Антипова Л.В., Глотова И.А., Рогов И.А. Методы исследования мяса и мясных продуктов. М.: Колос, 2001 г., 376 с.
5. Appareil polonais de mesure automatigue des ions pH. “Industries alimentaires et Agricoles”, 1968, v. 85, 10, pp. 1323.
6. Bayfield E.C., larmier G.Z. Ionng W.W.Flong brew stuies IV. The importance of corsect pH. “Baker’s Didest”, 1963, v,37, 2, pp5.
7. Brews E,, Spicher G., Bolling H., Zur Standardisierung der Sauregradbestimmung bei Brot. “Brot und Geback”, 1963, Bd.l7,N 6,
115.
8. Бабков E.B. Прикладные задачи имитационного моделирования. Учебное пособие. Уфимский гос. авиац. техн. университет Уфа, 1997.-176 с.
9. Батунер Л.М., Позин М.В. Статистические методы в химической технике. М.: Химия, 1960 г., 639 с.
10. Березкин В.Т. Методы спутники в газовой хромотографии. М.: 1977 г, 198 с.