Обоснование параметров и режимов работы системы СВЧ обеззараживания молока на фермах

Актуальность. Производство молока в мире устойчиво увеличивается. В 2010 году объем производства молока в хозяйствах РФ составил 11 173,5 тыс: тонн, а в Чувашской республике — 494,9 тыс. тонн. Причем из них 24.26% содержит общее микробное число выше 1 млн. КОЕ/см. При этом, использование традиционной технологии пастеризации молока в теплообменниках, без дополнительного воздействия, становится не эффективным. Поэтому используют технические устройства с разными физическими факторами. Выявлено, что наиболее рентабельно обеззараживание такого молока, непосредственно на молочно-товарных фермах. Известно, что при использовании источников ультрафиолетового (УФ) излучения для обеззараживания молока, микроорганизмы остаются жизнеспособными, так как стерилизуется только поверхность. Удельные энергетические затраты при использовании актинизатора (УФ-ИК воздействия) составляет 17,8. .18,6 Втч/л.

Вступивший в действие в 2008 году Федеральный закон № 88-ФЗ «Технический регламент на молоко и молочную продукцию» повысил требованияк сортности молока, т. е. это касается микробиологических показателей молока. На молочно-товарных фермах бактериальная > обсемененность молока остается прежней, поэтому с момента вступления закона в действие, сд’ача молока высшего сорта в ЧР уменьшилась на 25.35%. Поэтому разработка СВЧ установки для обеззараживания молока, позволяющей повысить сортность при сохранении органолептических и физико-химических показателей, является актуальной задачей.

Для производства высококачественного пастеризованного молока (бактериальная обсемененность молока не всегда на допустимом уровне, то есть о больше 500 КОЕ/см .), необходимо усовершенствовать технологию пастеризации, например с использованием физических факторов. Качество пастеризованного молока зависит от исходного состояния содержания общёго микробного числа в молоке. В молоке с высокой бактериальной обсемененностью и после пастеризации традиционным способом остается большое количество микроорганизмов. Обсемененность молока перед пастеризацией традиционной технологией (пластичные теплообменники) должна быть не более 1 млн. л.

КОЕ/см. В противном — случае снижение общего микробного числа (ОМЧ) в молоке до требуемого уровня не происходит, сортность молока не повышается по микробиологическим показателям, следовательно, снижается ср’ок его хранения.

Использование СВЧ излучений в технологии обработки молока открывает большие перспективы. Поэтому мы предлагаем новый способ обеззараживания молока, предусматривающий содержание СВЧ установки после первой секции регенерации в технологической линии пластинчатого теплообменника. Теплоемкость молока имеет сложную характеристику, с увеличением температуры выше 45 °C, она резко снижается, что позволяет снизить удельные энергетические затраты при СВЧ обработке. Следовательно, начальная температура молока, поступающего в СВЧ установку должна быть не ниже 45 градусов.

Главная функция сверхвысокочастотной установки используемой в линии пастеризации молока — снизить бактериальную обсемененность в молоке в процессе его пастеризации с помощью пластинчатого теплообменника. При этом происходит глубинное обеззараживание молока в каждой элементарной частице, и бактериальная микрофлора достигает до летального исхода.

Целью настоящей работы является разработка системы СВЧ обеззараживания молока в процессе пастеризации на фермах, обеспечивающей улучшение микробиологических показателей. 9.

Основные научные задачи:

— разработать методику воздействия электромагнитного поля СВЧ на молоко в линии пастеризации для улучшения микробиологических показателей;

— разработать алгоритм расчета с программным решением, позволяющий обосновать конструктивно-технологические параметры системы и режимы СВЧ обеззараживания молока;

— разработать систему СВЧ обеззараживания молока в линии пастеризации и испытать в производственных условиях;

— оценить технико-экономическую эффективность применения системы СВЧ обеззараживания молока в технологической* линии пастеризации.

Научная концепция решаемой задачи. На основе существующих закономерностей процесса эндогенного нагрева жидких продуктов решена научно-техническая задача — разработка системы, обеспечивающей эффективные теп-лообменные процессы для подавления жизнедеятельности вегетативных форм микроорганизмов в молоке за счет воздействия электрического полявысокой напряженности СВЧ диапазона.

Объектом исследования является система и технологический процесс СВЧ обеззараживания молока в линии пастеризации.

Предмет исследования — режимы СВЧ обеззараживания молока и конструктивно-технологические параметры системы.

Научную новизну результатов исследования представляют:

— аналитические зависимости и алгоритм расчета с программным решением для обоснования и реализации эффективных режимов системы с резонаторны-ми камерами, обеспечивающими высокую напряженность электрического поля СВЧ диапазона, позволяющую обеззараживать молоко;

— конструктивные параметры и режимы работы системы для СВЧ обеззараживания молока в технологической линии пастеризации (заявки на изобретения № 2 010 143 035 — Способ и установка для пастеризации жидких продуктов, № 2 010 101 205 — Установка для тепловой обработки жидкости, положительное решение).

Достоверность основных положений и выводов подтверждена:

— результатами экспериментальных исследований процесса СВЧ обеззараживания молока и актом о положительном испытании системы в цехе по переработке молока Федерального государственного унитарного предприятия учебно-опытного хозяйства «Приволжское» Чебоксарского района Чувашской Республики (ЧР);

— протоколами лабораторий Федерального государственного учреждения здравоохранения «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике.

Чувашия", государственного учреждения «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Госветслужбы Чувашии.

Практическую значимость представляет разработанная, сверхвысокочастотная установка для СВЧ обеззараживания молока и испытанная в производственных условиях в составе технологической линии пастеризации, позволяющая улучшить микробиологические показатели и увеличить срок хранения.

Научные положения, выносимые на защиту: 1. Методика воздействия электромагнитного поля СВЧ диапазона на молоко в процессе пастеризации, обеспечивающая контроль и регулирование температуры эндогенного нагрева, улучшение микробиологических показателей путем применения резонаторных камер.

2. Аналитические зависимости и алгоритм расчета с программным решением для обоснования и реализации режимов системы с резонаторными камерами, обеспечивающими высокую напряженность электрического поля СВЧ диапазона, позволяющую улучшить микробиологические показатели молока в процессе пастеризации.

3. Рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров СВЧ установки, обеспечивающие снижение бактериальной обсемененности молока.

Реализация результатов исследований. Исследования по разработке установки для СВЧ обеззараживания молока проводились в соответствии с планом НИОКР ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА». В рамках тематического плана Министерство сельского хозяйства РФ по разделу «Био — нанотехнологий» по теме «Разработка методов обеззараживания молока в очагах инфекции и неблагополучных пунктах, вызванных возбудителями лейкоза и других особо опасных болезней крупного рогатого скота» разрабатывается техническая документация на установку. Исследование процесса обеззараживания молока в электрическом поле высокой напряженности СВЧ диапазона, производственное испытание установки осуществлялись в ФГУП УОХ «Приволжское» Чебоксарского района ЧР. Результаты научных исследований используются' в учебном процессе ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», ГОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГОУ ВПО «Казанский ГАУ». На основе гранта общероссийской общественной, организации «Российское аграрное движение — РАД» (14.04.2010 г.) и гранта по Программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (18.02.2011 г.) изготовлена экспериментальная установка для СВЧ обеззараживания молока.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены на: всероссийской научно-практической конференции ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», Чебоксары (2003.2011 г. г.) — международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства», ГОУ ВПО «Марийский ГУ», Йошкар-Ола (2007 г., 2011 г.). Установка демонстрировалась на межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем современной науки» (ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», Чебоксары, 2010 г., 2011 г.). Результаты диссертационных исследований апробированы’в конкурсе «Лучший инновационный проект, в сфере АПК» и были отмечены дипломом и грантом Российского аграрного движения (РАД), (14.04.2010 г.).

Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 12 печатных работах, в том числе 4 ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК и в монографии «Обеззараживание молока в электромагнитном поле сверхвысокой частоты», объемом 11,5 п.л.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 198 страницах и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 125 наименований и приложений. В диссертационной работе содержатся 52 рисунка и 30 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработанная методика воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на молоко в процессе пастеризации позволяет улучшить микробиологические показатели и увеличить срок хранения на 24 часа, при температуре 4±2 °С за счет применения четырех резонаторных камер, обеспечивающих напряженность электрического поля 14 кВ/см.

2. Полученные аналитические зависимости и разработанный алгоритм с программным решением позволили обосновать комплекс конструктивно-технологических параметров системы и реализовать режим, обеспечивающий снижение бактериальной обсемененности молока. Установлено, что в резонаторе объемом 2000 см достигается напряженность электрического поля 14 кВ/см, обеспечивающая повышение температуры эндогенного нагрева молока на 4 °C, при которой происходит выравнивание поглощенной мощности микроорганизмом и теряемой за счет теплопередачи с его поверхности. Равномерный эндогенный нагрев молока обеспечивается со скоростью 1,0. 1,2 °С/с, если удельная мощность СВЧ генератора составляет 8. 10 Вт/г, а внутренний диаметр радиопрозрачного молокопровода — до 3,0 см.

3. В результате производственных испытаний установки для СВЧ обеззараживания молока, производительностью 100.240 кг/ч и потребляемой мощностью 4,8 кВт в составе теплообменного аппарата, работающего в кратковременном режиме пастеризации, выявлено снижение бактериальной.

6 6 3 обсемененности в молоке с 1,2−10 до 0,5−10 КОЕ/см. При этом повышение температуры эндогенного нагрева молока между двумя секциями рекуперации составило 15. 16 °C.

4. Экономический эффект от применения системы СВЧ обеззараживания молока составляет в среднем 97 440 руб./год за счет повышения его цены реализации с улучшенными микробиологическими показателями. При объеме обрабатываемой продукции 336 т/год рентабельность повысится на 2%.