СВЧ установка для термообработки сливочного масла в фермерских хозяйствах

Актуальность. В настоящее время производство сливочного масла в РФ осуществляют 700 предприятий. Среднегодовая мощность крупных и малых предприятий в 2009 г. составила 644,4 тыс. тонн, использование производственных мощностей — 27,2%. Собственного производства сливочного масла недостаточно для покрытия внутреннего спроса, поэтому Россия вынуждена импортировать данную продукцию в больших объемах.

Отраслевая целевая программа «Развитие маслоделия России на 2011.2013 годы» (приказ Минсельхоза РФ от 12 октября 2010 г. № 349) предусматривает: увеличение объема производства сливочного масласокращение импортаобеспечение к 2013 году прироста объемов производства сливочного масла на 14,0% к уровню 2009 г.

Для достижения данной программы на региональном уровне необходимо: осуществить техническую модернизацию цехов по производству сливочного маслаобеспечить вовлечение в хозяйственный оборот вторичных ресурсов, получаемых при производстве сливочного масласнизить энергопотребление за счет внедрения современных технологий переработки, повышающих пищевую и биологическую ценность продуктов, в том числе топленого масла.

Объем производства сливочного масла в 2009 году в мире достиг — 6,02 млн. т., в РФ — 231 тыс. т., а в Чувашской Республике (ЧР) — 14,5 тыс. т. (6,3% от общероссийского объема производства). Темпы роста производства топленого масла за последние годы резко снизились, в РФ объем производства составил 11,5 тыс.т., а в ЧР — 0,73 тыс.т.

В результате реализации программы будет обеспечено к 2013 году увеличение использования среднегодовой производственной мощности предприятий по производству сливочного и топленого масла с 27,2% до 41,2%, за счет проведения модернизации на инновационной основе. Поэтому разработка энергосберегающей технологии выработки топленого масла, в том числе с использованием энергии электромагнитных излучений СВЧ диапазона, актуальна.

Причем СВЧ термообработка сливочного масла обладает рядом преимуществ: обеспечивает стерильность процесса и безинерционность регулирования нагревом, равномерность нагрева по всей массе продукта и его избирательность в случае неравенства диэлектрических параметров отдельных частей, бесконтактный подвод энергии, высокая концентрация СВЧ энергии в малых объемах, регулируемость скорости нагрева за счет напряженности и частоты ЭМП [29, 68, 69, 70, 96].

Для удешевления СВЧ источника предлагается использовать бытовые микроволновые печи с частотой 2450 МГц и потребляемой мощностью 1,2 кВт, у которых магнетрон является генератором с самовозбуждением. Препятствием к его применению может стать невозможность получения требуемого срока службы 250 тыс. часов.

Стратегией научно-технического прогресса АПК России на период до 2015 г. основные научные исследования по электрификации и автоматизации животноводства сосредотачиваются на повышении технико-экономической эффективности при производстве, переработке и хранении высококачественной продукции. Огромные перспективы использования электронанотехнологий открываются в области переработки сельскохозяйственного сырья, получении высококачественной продукции заданного качества при минимуме ресурсо-энергетических затратах. Например, установлено 3 вида действия ЭМП СВЧ: диэлектрический нагрев, изменение проводимости мембран клеток электрической напряженностью и проявление резонансных информационных взаимодействий внешнего ЭМП с биополем объекта [132].

Целью настоящей работы является разработка и обоснование режимов работы установки для термообработки сливочного масла с использованием энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты, позволяющей улучшить качество топленого масла при сниженных энергетических затратах.

Основные научные задачи: — разработать методику термообработки сливочного масла многократным воздействием ЭМП СВЧ в перфорированной резонаторной камере;

— обосновать конструктивно-технологические параметры и режимы работы СВЧ установки на основе системно-комплексного решения задачи повышения качества продукции и исследований процесса термообработки сливочного масла, физико-химических, микробиологических изменений, происходящих в продукции;

— получить регрессионные зависимости, связывающие энергетические затраты на термообработку сырья с СВЧ энергоподводом и снижение бактериальной обсемененности продукта с ключевыми факторами, влияющими на технологический процесс;

— разработать и испытать в производственных условиях СВЧ установку для термообработки сливочного масла, оценить технико-экономическую эффективность его применения в фермерских хозяйствах.

Объекты исследования: технологическое оборудование и процесс термообработки сливочного масла в перфорированной резонаторной камере с СВЧ энергоподводомпродукция.

Предметом исследования является выявление закономерностей процесса термообработки масло-сырья многократным воздействием ЭМП СВЧ в перфорированной резонаторной камере.

Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории электромагнитного поля, теории процесса диэлектрического нагрева. Экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях проводились в соответствии с разработанными частными методиками, базируются на разработке эффективных технологических процессов и установки для термообработки масло-сырья. Основные расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с применением методов математической статистики и регрессионного анализа при использовании теории активного планирования многофакторного эксперимента.

Научную новизну результатов исследования представляют:

— математические выражения, позволяющие обосновать параметры электромагнитного поля СВЧ диапазона, обеспечивающие процесс термообработки масло-сырья в перфорированной резонаторной камере при многократном циклическом воздействии ЭМИ;

— закономерности влияния режимных параметров СВЧ установки на динамику эндогенного нагрева масло-сырья и на качество продукта;

— разработанная СВЧ установка, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде цилиндрических перфорированных резонаторных камер, расположенных в экранном корпусе, обеспечивающая термообработку масло-сырья в процессе многократной циркуляции через резонаторные камеры с помощью центробежного насоса (заявка на изобретение № 2 011 128 533/10 от 08.07.2011 г., положительное решение от 04.07.2012 г.);

— рациональные режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров, обеспечивающие термообработку сливочного масла в ЭМПСВЧ при сниженных энергетических затратах с улучшением качества топленого масла, оцененного по органолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям.

Практическую значимость представляет изготовленная и испытанная в производственных условиях СВЧ установка для термообработки масло-сырья, позволяющая улучшить качество продукции при сниженных энергетических затратах.

Реализация результатов исследований. Разработка СВЧ установки для термообработки масло-сырья проводилась в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА, в рамках тематического плана Министерства сельского хозяйства РФ по разделу «Био-нанотехнологии». Исследование процесса термообработки сливочного масла в электромагнитном поле сверхвысокой частоты осуществлялось в лаборатории «Электротехнологии» ФГБОУ ВПО ЧГСХА, производственное испытание СВЧ установки — в ООО «Вурнары Завод СОМ». Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА», ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ».

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены: во II туре всероссийского конкурса научных работ студентов, аспирантов, молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального округа (г. Уфа, ФГОУ ВПО БГАУ, 29.04.2011 г.) — на XIII межрегиональной конференции-фестивале научного творчества учащейся молодежи «Юность Большой Волги» (г. Чебоксары, 14.05.2011 г.) — на VII и VIII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (г.Чебоксары, ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 30.03.2011 г. и 4.04.2012 г.) — на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства» (г. Казань, ФГБОУ ВПО КГАУ, 25.04.2012 г.) — на республиканском фестивале научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» (г. Чебоксары, 08.06.2012 г.).

Установка демонстрировалась на: республиканском конкурсе проектов среди молодежи «Эффективные пути развития АПК в Чувашской Республике» (Чебоксары, 2010 г.) — XVIII выставке «Регионы — сотрудничество без границ» (Чебоксары, 23.26.06.2011 г.).

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационных исследований удостоены следующих наград:

— дипломы за активное участие: во II туре всероссийского конкурса научных работ студентов, аспирантов, молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального округа (ФГБОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2011 г.) — на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологий и технического обеспечения сельскохозяйственного производства» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 2012 г.) — на XIV международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 2012 г.) — на VII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Чувашская ГСХА», 2012 г.);

— благодарственное письмо за активное участие и плодотворную работу на XVIII выставке «Регионы — сотрудничество без границ», за подписью директора казенного унитарного предприятия ЧР «Агро-инновации» Васильева Н. И. (г. Чебоксары, 28.06.2011 г.).

Публикации. Результаты исследований отражены в 10 научных работах, в том числе 3 из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК РФ и в монографии «СВЧ маслоплавитель», объемом 9,5 п.л.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 175 страницах и состоит из введения, пяти глав, выводов и предложений производству, списка использованной литературы, включающего 144 наименования, приложений. В диссертационной работе содержится 80 рисунков и 26 таблиц.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика термообработки сливочного масла многократным циклическим воздействием электромагнитного излучения для получения топленого масла, реализованная в СВЧ установке с перфорированными цилиндрическими резонаторными камерами, расположенными в экранном корпусе, и центробежным насосом.

2. Согласованы добротность (6000) и объем перфорированной резонатор-ной камеры (1.2 л), обеспечивающие эффективную величину напряженности электрического поля (2.1 кВ/см) в масло-сырье при термообработке до 90.100°С для снижения бактериальной обсемененности в продукте с 50 000 КОЕ/г до 600 КОЕ/г, что ниже предельно-допустимого уровня (1000 КОЕ/г).

3. Установлено, что эффективными режимами термообработки масло-сырья в СВЧ установке производительностью 25.30 кг/ч являются: удельная мощность 2.4 Вт/г, продолжительность воздействия 160. 180 с, скорость нагрева 0,5.0,6 °С/с, количество циркуляций масло-сырья через перфорированные резонаторные камеры 27.30. Результаты оценки органолептическш показателей топленого масла опытного и контрольного образцов по 17-ти балльной шкале свидетельствуют, что консистенция и внешний вид опытного образца на 2 балла выше контрольного, вкус и запах — на 3 балла, расхождение по цвету не наблюдалось. Выявлено, что центробежный насос производительностью 0,51 л/с позволяет циркулировать сырье вязкостью менее 17 Па-с через резонаторные камеры за счет перфорации, размеры (радиус перфорации 0,25.0,35 см) и плотность которых согласованы с краевым потоком мощности электромагнитных излучений, а также гомогенизировать сырье, снижая неравномерность эндогенного нагрева в 5 раз.

4. Установлено, что корпус СВЧ установки, выполненный из неферромагнитного материала толщиной 2.3 мм, предназначенный для приемки масло-сырья, при содержании четырех перфорированных резонаторных камер, обеспечивает экранизацию потока мощности электромагнитных излучений до 0,427.0,571 мВт/см на расстоянии 1,5.2 м. В результате производственных испытаний СВЧ установки выявлено снижение удельных энергетических затрат на термообработку сливочного масла — с 0,24 до 0,18 кВт-ч/кг, улучшение качества топленого масла и увеличение срока хранения его в потребительской таре из полимерного материала с 30 до 40 суток при температуре не выше 3.5°С. Экономический эффект от применения СВЧ установки производительностью 30 кг/ч составляет 119 387 руб./ год.