Registration Number
0826U000600, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
19-05-2026
popup.evolution
o
Title
Intensification of heat and mass transfer processes of plant raw materials extraction under ultrasound conditions
Author
Zhanna I. Ostapenko,
popup.head Viktoriia M. Melnik
popup.opponent Volodymyr L. Zavialov
popup.opponent Iryna O. Dubovkina
popup.review Oleksandr F. Luhovskyi
popup.review Andrii I. Zilinskyi
popup.rada
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
Description
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.
Registration Date
2026-03-19
popup.nrat_date
2026-03-19 / 2026-07-02
