Обоснование параметров и режимов работы системы СВЧ обеззараживания молока на фермах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Пономарев, Александр Николаевич

• Пономарев, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пономарев, Александр Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ 9 СРЕДСТВ. ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

1.1. Ресурсы и требования к качеству молока

1.2. Электрофизические параметры молока

1.3. Анализ существующих способов и технических средств для 20 обеззараживания жидких продуктов» с использованием электрофизических факторов

1.4. Выводы по главе, цель и задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ 32 ДЛЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА

2.1. Объемные резонаторы СВЧ установки для обеззараживания 32 молока

2.2. Обоснование напряженности электрического поля в объемном 40 резонаторе СВЧ генератора, позволяющего обеззараживать молоко

2.3. Расчет необходимого потока мощности ЭМПСВЧ для подав- 55 ления жизнедеятельности микроорганизмов в молоке

2.4. Методика согласования параметров установки для сверхвысо- 60 кочастотного обеззараживания молока

2.5. Выводы по главе

3. METO ДИКА И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 71 ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Частные методики исследований и измерительная аппаратура

3.2. Разработанные проточные- СВЧ установки для обеззараж'ива- 74 ния молока

3.2.1. Схема технологического процесса производства пас- 74 теризованного молока

3.2.2. Описание разработанных установок для обеззаражи- 81 вания молока с использованием энергии электромагнитных излучений

3.2.3. Разработанная, изготовленная и испытанная СВЧ ус- 92 тановка для обеззараживания молока

3.3 Выводы по главе

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО 105 ПРОЦЕССА СВЧ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА

4.1. Расчет конструктивно-технологических параметров СВЧ уста- 105 новки для обеззараживания молока

4.2. Результаты экспериментальных исследований динамики нагре- 110 ва молока и снижения общего микробного числа при воздействии электромагнитных излучений

4.3. Оптимизация режимных параметров проточной СВЧ уста- 114 новки для обеззараживания молока

4.4. Выводы по главе 132 5. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЧ УСТАНОВКИ 134 В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПРОИЗВОДСТВА ПАСТЕРИЗОВАННОГО МОЛОКА

5:1. Технико-экономические показатели; применения; установки . 134 для сверхвысокочастотного обеззараживания молока в составе ,пас-теризационно — охладительного аппарата

5.2. Рекомендации производству по обеззараживанию молока: с ис- 141 пользованием СВЧ установки

5.3. Требования по технике безопасности при работе с СВЧ уста- 141 новкой для обеззараживания молока

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 11173,5 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 Вт -ч/л.

Вступивший в действие в 2008 году Федеральный закон №88-ФЗ «Технический регламент на молоко и молочную продукцию» повысил требования- к 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 °С, 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 поля- высокой 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 № 2010143035 - Способ и установка для пастеризации жидких продуктов, № 2010101205 - 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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», Пономарев, Александр Николаевич

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 °С, 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 °С.

4. Экономический эффект от применения системы СВЧ обеззараживания молока составляет в среднем 97440 руб./год за счет повышения его цены реализации с улучшенными микробиологическими показателями. При объеме обрабатываемой продукции 336 т/год рентабельность повысится на 2%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пономарев, Александр Николаевич, 2011 год

1. Азаров Б.М. и др. Технологическое оборудование пищевых производств. / под редакцией Б.М. Азарова. - М.: Агропромиздат, 1988. - 463с.

2. Алешкин В.Р. Механизация животноводства. / В.Р. Алешкин. М.: Агропромиздат; - 1998.- 230 с.

3. Арсеньева Т.П. Справочник технолога молочного производства. Технология и рецептуры. Т.4. Мороженое. / Т.П. Арсеньева. СПб.: ГИОРД, 2002.-184 с.

4. Антипов С.Т., Кретов И.Т., Остриков А.Н. и др. Машины и аппараты пищевых производств / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др. -М.: Высшая школа, 2001, т. 1. 620 с.

5. Антипов С.Т., Кретов И.Т., Остриков А.Н. и др. Машины и аппараты пищевых производств / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др. -М.: Высшая школа, 2001, т.2. 650 с.

6. Андреев В.Б., Демидова Л.Д., Ивановцев В.В. Некоторые моменты обеспечения санитарного качества молока. /В.Б. Андреев, Л.Д. Демидова, В.В. Ивановцев. М.: ООО изд. Триада, 2002.- 56с.

7. Архангельский И.Н. и др. Санитарное производство молока. М.: Колос, 1974.-215 с.

8. Ахматов В.И. Исследование и усовершенствование исполнительных механизмов доильного аппарата. Автореферат дис. на соискание уч. степени, канд. тех. наук. Оренбург, 1988.- 25с.

9. Басов A.M., Быков В.Г., Лаптев A.B., Файн В.Б. Электротехнология. / A.M. Басов, В.Г. Быков, A.B. Лаптев, В.Б. Файн. М.: Агропромиздат, 1985.-256 с.

10. Басарыгина Е.М., Горяинова Т.Н., Басарыгина Т.А. Усовершенствованная технология гидропонного выращивания овощей / Е.М. Басарыгина, Т.Н. Горяинова, Т.А. Басарыгина // Механизация и электрификация сельского хозяйства. №2, 2010. С 5.6.

11. Белянчиков H.H., Белехов И.П., Кожевников Г.Н., Тургиев А.К. Механизация технологических процессов. / H.H. Белянчиков, И.П. Белехов, Г.Н. Кожевников, А.К.Тургиев М.: Агропромиздат, 1989. — 400с.

12. Белянчиков H.H., Смирнов А.И. Механизация животноводства и кормо-приготовления. / H.H. Белянчиков, А.И. Смирнов, М.: Агропромиздат, 1990.-432 с.

13. Барабанщиков Н.В. Молочное дело. / Н.В. Барабанщиков. — М.: Колос, 1993 г.

14. Бородин И.Ф., Недилько Н.М. Автоматизация технологических процессов. / И.Ф. Бородин, Н.М. Недилько. М.: Агропромиздат, 1986. — 368с.

15. Бородин И.Ф. Энергосберегающие наноэлектротехнологии в животноводстве. // Материалы 4 международной научно-технической конференции «Проблемы энергообеспечения и энергоснабжения». / И.Ф. Бородин. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004. - С 44.

16. Богданова Г.И. Производство цельномолочных продуктов. / Г.И. Богда17.