Фізико-механічні основи та оптимізація режимів центрифугування при витопленні бджолиного воску
DOI:
https://doi.org/10.31359/2311-441X-2025-27-176Ключові слова:
бджолиний віск, центрифугування, тепломасообмін, фазовий перехід, багатофакторна оптимізація, поверхні відгуку, енергоефективністьАнотація
У статті розглянуто процес витоплення бджолиного воску в інноваційному центрифужному агрегаті з паровим нагрівом як складну багатостадійну тепломасообмінну та механічну систему. На відміну від традиційних способів витоплення, у запропонованому підході реалізовано примусове механічне підсилення процесу за рахунок дії відцентрових сил, що істотно змінює енергетичну структуру розділення фаз і підвищує ефективність вилучення воску з пористої структури мерви.
Процес описано з позицій термодинаміки відкритих систем з урахуванням внутрішнього виробництва ентропії, фазового переходу та в’язкотекучої фільтрації розплавленого воску. Запропоновано фізико-механічну модель, яка поєднує теплопровідність, задачу Стефана для плавлення воску та узагальнений закон Дарсі–Форхгеймера з додатковим відцентровим напором. Для кількісного аналізу впливу режимних параметрів застосовано метод багатофакторного регресійного аналізу другого порядку з побудовою поверхонь відгуку.
Встановлено, що домінуючими факторами, які визначають вихід бджолиного воску, є частота обертання барабана центрифуги та тривалість процесу, тоді як температура пари має допоміжний характер і повинна обмежуватися з позицій енергоефективності. На основі аналізу локальних чутливостей і поверхонь відгуку визначено раціональні режими центрифугування, які забезпечують підвищення виходу воску до 90 % при зниженні питомих енерговитрат приблизно на 20 % порівняно з традиційними методами. Отримані результати можуть бути використані при проєктуванні та оптимізації промислових агрегатів для витоплення бджолиного воску.
Посилання
1. Maksimov N. Study of the operation of a centrifuge to obtain apiary wax from wax raw materials. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 1045. 012100. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1045/1/012100
2. Stober K., Sanchez A., Wanyiri J., Jiwani S., Wood D. Centrifugal casting of paraffin and beeswax for hybrid rockets. AIAA Propulsion and Energy Forum. 2020. https://doi.org/10.2514/6.2020-3736
3. Stober K., Sanchez A., Apodaca M.R., Ngetich G.C., Wood D. Optical and thermochemical analysis for paraffin and beeswax centrifugal casting. AIAA Propulsion and Energy Forum. 2021. https://doi.org/10.2514/6.2021-3504
4. Novikova G., Mikhailova O., Prosviryakova M., Zaitsev P., Shevelev A., Dulepov D. Justification of structural and technological parameters of microwave installations for heat treatment of wax raw materials. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2020. Vol. 604. 012008. https://doi.org/10.1088/1755-1315/604/1/012008
5. Zhou Z., Liu X., Li X.Q., Xu Y., Wang Z.Z. Numerical study on Nu number of moving phase interface during wax melting in tube using LBM. Thermal Science. 2022. https://doi.org/10.2298/tsci211226063z
6. Zhilin S., Bogdanova N., Firsov S.V., Komarov O.N. Prospects of obtaining removable models by pressing wax-like materials under the influence of centrifugal forces. Metallurgist. 2023. Vol. 67, No. 8. P. 814–825. https://doi.org/10.1007/s11015-023-01567-4
7. Liu H., Duan J., Li J., Yan H., Wang J., Lin K., Li C. Experimental measurements of wax precipitation using a modified method of simultaneous centrifugation and high-temperature gas chromatography. Energies. 2021. Vol. 14, No. 21. 7035. https://doi.org/10.3390/en14217035
8. Al-Rajhi M.A.I., El-Serey S., Elsheikha A. Application of solar energy to liquify beeswax. Turkish Journal of Agricultural Engineering Research. 2023. https://doi.org/10.46592/turkager.1343229
9. Peshin S., George D., Shiri R., Kulinsky L., Madou M. Capillary flow-driven and magnetically actuated multi-use wax valves for controlled sealing and releasing of fluids on centrifugal microfluidic platforms. Micromachines. 2022. Vol. 13, No. 2. 303. https://doi.org/10.3390/mi13020303
10. Holeta Bee. Evaluation of the quality of beeswax from different sources and rendering methods. International Journal of Research Studies in Biosciences. 2019. https://doi.org/10.20431/2349-0365.0706005
11. Svečnjak L., Chesson L.A., Gallina A., Maia M., Martinello M., Mutinelli F., Waters T.A. Standard methods for Apis mellifera beeswax research. Journal of Apicultural Research. 2019. Vol. 58, No. 2. P. 1–108. https://doi.org/10.1080/00218839.2019.1571556
12. Bucio A., Moreno-Tovar R., Bucio L., Espinosa-Dávila J., Anguebes-Franceschi F. Characterization of beeswax, candelilla wax and paraffin wax for coating cheeses. Coatings. 2021. Vol. 11, No. 3. 261. https://doi.org/10.3390/coatings11030261
13. Nozal M.J., Imaz E., Bernal J.L., Nieto J.L., Higes M., Bernal J. An optimized extraction procedure for determining acaricide residues in foundation sheets of beeswax by using gas chromatography–mass spectrometry. Agronomy. 2021. Vol. 11, No. 4. 804. https://doi.org/10.3390/agronomy11040804
14. El Agrebi N., Traynor K., Wilmart O., Tosi S., Leinartz L., Danneels E., Saegerman C. Pesticide and veterinary drug residues in Belgian beeswax: Occurrence, toxicity, and risk to honey bees. Science of the Total Environment. 2020. Vol. 745. 141036. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141036
15. Flores J.M., Luna A., Rodríguez Fernández-Alba A., Hernando M. Acceptance by honey bees of wax decontaminated through an extraction process with methanol. Insects. 2023. Vol. 14, No. 7. 593. https://doi.org/10.3390/insects14070593
16. Colwell M.J., Pernal S., Currie R.W. Treatment of waxborne honey bee viruses using time, temperature, and electron-beam irradiation. Journal of Economic Entomology. 2024. Vol. 117, No. 1. P. 34–42. https://doi.org/10.1093/jee/toad216
17. Kaboré B.A., Compaoré B., Dahourou L.D. та ін. Prevalence and risk factors of wax moth in bee colonies in Burkina Faso. International Journal of Biological and Chemical Sciences. 2021. Vol. 15, No. 4. https://doi.org/10.4314/ijbcs.v15i4.14
18. Payne A.N., Walsh E., Rangel J. Initial exposure of wax foundation to agrochemicals causes negligible effects on honey bee colonies. Insects. 2019. Vol. 10, No. 1. 19. https://doi.org/10.3390/insects10010019
19. Șchiopu E., Popa R., Pecingină I. Study on setting up a beekeeping farm and valorisation of products obtained. Journal of Research and Innovation for Sustainable Society. 2021. https://doi.org/10.33727/jriss.2021.2.6:53-62
20. Alkassab A., Thorbahn D., Frommberger M., Bischoff G., Pistorius J. Effect of contamination and adulteration of wax foundations on brood development of honeybees. Apidologie. 2020. Vol. 51. P. 642–654. https://doi.org/10.1007/s13592-020-00749-2
21. Сиромятников Ю.М., Сиромятніков П.С., Харченко О.М., Бєлих О.В. Огляд сучасних підходів до вдосконалення технологій витоплення бджолиного воску: технічні рішення та інженерні перспективи. Технічний сервіс агропромислового, лісового та транспортного комплексів. 2025. № 26. С. 45–88. https://doi.org/10.64165/journal-ts.2025.26.45-88
22. Сиромятников Ю.М., Шабля В.П., Харченко О.М., Бєлих О.В. Біологічний контроль вароозу за допомогою мікробних препаратів: інноваційні підходи в екологічному бджільництві. Свинарство і агропромислове виробництво. 2024. № 4(82). С. 80–93. https://doi.org/10.37143/2786-7730-2024-4(82)6
23. Шабля В.П., Сиромятников Ю.М. Відновлення напрямку бджільництва в Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка. Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства. 2021. Вип. 211. С. 106–108.
