Дисертації (БТІ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Інтенсифікація тепломасообмінних процесів екстрагування рослинної сировини в умовах дії ультразвукового випромінювання(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Остапенко, Жанна Ігорівна; Мельник, Вікторія МиколаївнаОстапенко Ж.І. Інтенсифікація тепломасообмінних процесів екстрагування рослинної сировини в умовах дії ультразвукового випромінювання. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 13 Механічна інженерія за спеціальність 133 Галузеве машинобудування. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Екстрагування біологічно активних речовин (БАР) з рослинної сировини є важливим і часто використовуваним процесом у фармацевтичній, харчовій, косметичній та біотехнологічній промисловості. Від ефективності вилучення компонентів природного походження значною мірою залежить економічна доцільність виробництва та якість кінцевого продукту. Разом із зростанням попиту на натуральні, екологічно чисті та біологічно безпечні препарати зростають вимоги до підвищення ефективності процесів, що дозволяють отримувати БАР із мінімальними втратами та без застосування агресивних реагентів або високотемпературних режимів. Традиційні методи екстрагування, засновані на дифузійно-конвективному масопереносі, характеризуються значною тривалістю, високими енерговитратами та відносно низьким ступенем вилучення цільових речовин. Їх ефективність суттєво залежить від морфологічної структури рослинної сировини, теплофізичних властивостей екстрагентів та інтенсивності тепломасообмінних процесів. Одним із перспективних напрямів інтенсифікації процесів масо- та теплопереносу в системах «рослинна сировина – екстрагент» є застосування ультразвукового випромінювання. Ультразвук здатний ініціювати кавітаційні процеси, що супроводжуються утворенням і схлопуванням бульбашок у рідині, локальними перепадами тиску, мікротурбулізацією та виникненням ударних хвиль. Сукупність цих явищ забезпечує механічне руйнування клітинних стінок, зменшення товщини дифузійного приграничного шару, покращення тепломасообміну та прискорення дифузійних процесів. Ультразвуковий вплив дозволяє значно скоротити тривалість екстрагування та збільшити вихід БАР без підвищення температури, що є критично важливим для термолабільних сполук. Метою дослідження є розробка науково обґрунтованих підходів до інтенсифікації тепломасообмінних процесів екстрагування біологічно активних речовин із різних типів рослинної сировини шляхом застосування ультразвукового випромінювання та раціонального добору екстрагентів. Методи дослідження. У дисертаційній роботі використано комплекс теоретичних, експериментальних та чисельних методів дослідження, що забезпечили системний аналіз процесів тепломасообміну під час екстрагування рослинної сировини в умовах дії ультразвуку. Теоретичні дослідження ґрунтувалися на законах розподілу компонентів між фазами, які описують статичні закономірності процесу екстрагування, а також на фундаментальних законах переносу речовини, що визначають швидкість масопередачі та характер перебігу процесу. Для опису динаміки переносу речовин використано рівняння конвективної дифузії з відповідними початковими та граничними умовами, які задають початкові й кінцеві концентрації компонентів у фазах, а також рівняння Нав’є-Стокса для опису гідродинаміки рідкої фази. На основі інтегрування рівнянь конвективної дифузії та їх поєднання з рівняннями руху рідини отримано математичні залежності, що характеризують кінетику процесу екстрагування та дозволяють оцінити вплив основних технологічних і гідродинамічних параметрів на інтенсивність масообміну. Експериментальні дослідження включали визначення якісного та кількісного складу екстрактів із застосуванням методів високоефективної тонкошарової хроматографії, що забезпечило ідентифікацію цільових компонентів та оцінку ефективності процесу екстрагування за різних режимів обробки. Чисельне моделювання процесів гідродинаміки та масопереносу здійснювали з використанням методів обчислювальної гідродинаміки (CFD). Розрахунки виконували із застосуванням солвера CFX у програмному пакеті ANSYS CFX, що дало змогу змоделювати поля швидкостей, тиску та концентрацій у робочому об’ємі апарата, а також проаналізувати вплив ультразвукової дії на інтенсифікацію процесів масообміну. Практичне значення отриманих у дисертаційній роботі результатів полягає в можливості їх використання при проєктуванні, удосконаленні та оптимізації ультразвукових екстракційних процесів і апаратів для вилучення біологічно активних речовин з рослинної сировини. Встановлені закономірності впливу параметрів ультразвукового випромінювання на тепломасообмінні процеси в системі «рослинна сировина-екстрагент» можуть бути використані при розрахунку та виборі раціональних режимів роботи ультразвукових екстракторів, а також для інтенсифікації масопереносу під час екстрагування цільових компонентів. Розроблені математичні та комп’ютерні моделі процесів замочування та ультразвукового екстрагування дозволяють прогнозувати параметри тепломасообміну, швидкість масопереносу та розподіл концентрацій компонентів у твердій і рідкій фазах, що створює основу для оптимізації технологічних режимів і скорочення тривалості процесів екстрагування. Запропоновані підходи до чисельного моделювання ультразвукових екстракційних апаратів у середовищі ANSYS CFX можуть бути використані при інженерному проєктуванні та модернізації акустичних екстракторів, а також при обґрунтуванні їх конструктивних і режимних параметрів. Результати дисертаційної роботи можуть бути використані у фармацевтичній, харчовій та біотехнологічній галузях при створенні та вдосконаленні технологій одержання екстрактів біологічно активних речовин з рослинної сировини для виробництва лікарських засобів, функціональних харчових продуктів, косметичних та біотехнологічних препаратів. Окремі технічні рішення, запропоновані в дисертаційній роботі, захищені патентами України на корисні моделі та можуть бути використані при розробленні нових або модернізації існуючих ультразвукових екстракційних установок. Матеріали дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес та використовуються при підготовці і викладанні лекційних занять у межах освітніх компонентів, зокрема «Ультразвукові методи в біотехнології», а також дисциплін, пов’язаних із процесами та апаратами харчових і біотехнологічних виробництв. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: вперше: - встановлено закономірності впливу ультразвукового випромінювання на тепломасообмінні процеси для різних типів рослинної сировини та екстрагентів; - розроблено математичну модель процесу замочування рослинної сировини з урахуванням особливостей капілярно-пористої структури; удосконалено: - математичну модель ультразвукового екстрагування БАР; - підходи до моделювання акустичних екстракторів у середовищі ANSYS CFX. В першому розділі проведено аналіз літературних джерел щодо традиційних та сучасних методів екстрагування біологічно активних речовин із рослинної сировини. Розглянуто фізико-хімічні основи процесу екстрагування, класифікацію рослинної сировини та вплив її структурних властивостей на ефективність вилучення цільових компонентів. Проаналізовано традиційні методи екстрагування, їхні переваги та обмеження. Детально описано сучасні інноваційні методи, зокрема мікрохвильову, надкритичну та ультразвукову екстракцію, які забезпечують інтенсифікацію масопереносу та зниження тривалості процесу. Проаналізовано гідродинамічні, тепломасообмінні та енергетичні характеристики ультразвукового поля, а також параметри, що визначають ефективність ультразвукового екстрагування. Наведено огляд конструкцій ультразвукових екстракційних установок, зондів і комбінованих методів, що поєднують ультразвук із традиційними підходами. Виявлено основні тенденції та проблеми впровадження ультразвукових технологій, включаючи вплив параметрів поля, типу сировини та властивостей екстрагенту. В другому розділі викладено методику експериментальних досліджень, опис установки, характеристики рослинної сировини та екстрагентів. Проведено експериментальні дослідження та побудовано математичну модель замочування рослинної сировини. Визначено вплив ультразвукового випромінювання на структуру рослинної сировини та виходу цільового продукту. В третьому розділі проведено експериментальні дослідження кінетики екстрагування та побудовано математично модель кінетики процесу екстрагування біологічно активних речовин з рослинної сировини під впливом ультразвукового випромінювання. Проведено хроматографічний аналіз отриманих екстрактів для встановлення якісних та кількісних показників. В четвертому розділі проаналізовано сучасне апаратне забезпечення для інтенсифікації процесів екстрагування рослинної сировини. Побудовано комп’ютерну модель акустичного екстрактора та проведено моделювання гідродинамічних та тепломасообмінних процесів в ньому. Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, відображені в дисертаційній роботі, отримано здобувачем особисто. Здобувачем проведено аналіз літературних джерел та визначено напрямок досліджень. Проведено експериментальні дослідження замочування та екстрагування під дією ультразвуку. Виконано хроматографічний аналіз екстрактів та мікроскопію структури сировини. Дисертантом розроблено математичні моделі процесів замочування та ультразвукового екстрагування та створено комп’ютерну модель акустичного екстрактора та проведено чисельні дослідження. Дисертаційна робота виконана на кафедрі біотехніки та інженерії Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», під керівництвом д.т.н., проф. Мельник В.М. Робота є результатом самостійних досліджень Остапенко Ж.І. Аналіз результатів та підготовка публікацій за результатами досліджень виконані за участі співавторів. За темою дисертації опубліковано 17 наукових праць, в тому числі: 5 наукових статей, з яких 2 статті опублікована в періодичних виданнях, що входять до наукометричних баз Scopus, 3 статті в фахових періодичних виданнях, 9 тез доповідей на всеукраїнських і міжнародних конференціях, 3 патенти України на корисну модель. Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 196 сторінках, у тому числі основний текст дисертації складає 178 сторінок друкованого тексту і містить вступ, чотири розділи, загальні висновки та список використаної літератури. Робота має 125 літературних джерел, 2 додатки, 56 рисунків та 10 таблиць.Документ Відкритий доступ Вплив проникаючого акустичного випромінювання на поліагрегатний підвіс гіроскопа і похибки вимірювань на резонансному рівні(2017) Фесенко, Сергій Вікторович; Карачун, Володимир Володимирович