Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
етаев Сергей Алексеевич
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА НА ФЕРМАХ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ И ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
Специальность 05.20.02 - | электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве |
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2012
Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) Российской академии сельскохозяйственных наук, г. Москва.
Научный руководитель: | кандидат технических наук Малышев Владимир Викторович |
Официальные оппоненты: | Башилов Алексей Михайлович доктор технических наук, профессор МГАУим.В.П.Горячкина,заведующий кафедрой Зеленцов Анатолий Иванович кандидат технических наук, ГНУ ВИЭСХ,заведующий лабораторией |
| Ведущая организация: | ФГОУ ВПО Московская Государственная Академия Ветеринарной Медицины и Биотехнологии имени К. И. Скрябина |
Защита состоится л__________ 2012 г. в _____ часов на заседании Диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу:
109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, д.2.
Телефон: (499) 171-19-20
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ
Автореферат разослан л____ ________ 2012г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, д.2.
Факс: (499) 170-51-01, E-mail: viesh@dol.ru
Ученый секретарь
диссертационного совета А. И. Некрасов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. В настоящее время очистка молока от микроорганизмов и его пригодность для непосредственного употребления в пищу осуществляется тепловой обработкой. При тепловой обработке расходуется значительная часть электрической энергии. Развитие молочного производства предусматривает необходимость разработки и внедрения новых способов пастеризации, дополнительной бактерицидной обработки молока и максимального сохранения в нем биологически ценных веществ.
Одной из таких актуальных нетрадиционных электротехнологий может стать нетепловая обработка молока, которая основана на использовании бактерицидных свойств УФ - излучения. При облучении молока УФ -излучением интенсивно происходит уничтожение микроорганизмов и синтез витаминов группы D. Проблема использования новых технических средств оптической электротехнологии для обработки молока требует комплексного решения, учитывающего органолептические, физико-химические и микробиологические показатели молока, которые ранее ухудшались за счет применения озонообразующих ртутных ламп высокого давления. Появление в настоящее время безозонных амальгамных ртутных ламп низкого давления (НД) мощностью 100 - 300 Вт, позволило вновь вернуться к исследованию данной проблемы. Данная работа посвящена комбинированному обеззараживанию молока УФ и ИК -излучением.
Исследования и разработки выполнялись автором в соответствии с контрактом с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации № 1280/13 от 02 сентября 2008 года (Департамент пищевой и молочной промышленности) Разработать нанотехнологии воздействия электромагнитных волн в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах на биологически активные вещества молока в течение 2008 - 2009 годов.
Исследования по обработке молока УФ и ИК -излучением потребовали использования достижений современной науки и техники (светотехники, микробиологии, технологии обработки молока и других), поэтому они проводились в содружестве с несколькими научными учреждениями и организациями: ВНИМИ, НПО ЛИТ и др.
Целью работы является научное обоснование параметров установки для совместного воздействия УФ и ИК - излучением на молоко для уменьшения бактериальной обсемененности до 3105 КОЭ/см3 и снижения расхода электрической энергии на обеззараживание молока.
Основные задачи исследования:
1. Провести аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по пастеризаторам молока и оценке воздействия электромагнитных излучений в УФ и ИК - диапазонах на свойства молочного продукта с целью определения резервов энергосбережения при обеззараживании молока.
2. Разработать методику и метод энергосбережения при комбинированном обеззараживании молока УФ и ИК - излучением, направленные на снижение потребления электрической энергии и получение молока первого сорта.
3. Провести экспериментально-теоретическое обоснование параметров конструкции и режимов УФ - облучателя и разработать методику расчета облучательного бактерицидного устройства (ОБУ) для обеззараживания молока.
4. Разработать исходные требования и определить технологические показатели экспериментального образца установки для обработки молока УФ и ИК- излучениями.
5. Провести производственные испытания экспериментального образца установки комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК- излучением и технико-экономическую оценку эффективности применения разработанной установки.
Объектом исследования являются экспериментальный образец комбинированного УФ и ИК -пастеризатора молока с применением устройства УФ - облучения, технологические мероприятия и молоко.
Предмет исследования: технологические линии обработки молока, которые основаны на использовании бактерицидных свойств УФ -излучения совместно с ИК- пастеризатором для снижения обсемененности и температуры нагрева.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
1. Теоретическими исследованиями обоснованы эффективные режимы и параметры обеззараживания молока устройством УФ -облучения (доза облучения - 16мДж/см2, бактерицидный поток - 49 Вт, облученность - 8,1 Вт/м2, время обработки менее 2 с, слой обрабатываемого молока - до 0,75 см и коэффициент поглощения молока разной жирности - 0,37-0,47 см-1).
2. Разработан метод расчета параметров используемой безозонной амальгамной лампы НД мощностью 145 Вт для устройства УФ-обработки молока, обеспечивающего снижение обсемененности молока на один порядок.
3. Предложен комбинированный способ обеззараживания молока УФ и ИК- излучениями, получено молоко 1-го сорта (снижена обсемененность до 3⋅105 КОЭ/см3 при температуре 72 оС).
4. Разработаны рекомендации и исходные требования на установку комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК -излучением. Определена экономическая эффективность установки комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК -излучением 81590 рублей для фермы на 400 коров за год и получен технологический эффект в виде витамина D3.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. УФ - облучатель с бактерицидной амальгамной лампой НД мощностью 145 Вт для установок комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК - излучением с толщиной слоя молока до 0,75 см, реализующий рациональные параметры и режимы работы при обеззараживании молока.
2. Методика расчета и выбора эффективных параметров устройства для УФ - обработки молока, позволяющего снизить затраты электроэнергии на 30% и обсемененность молока до 3⋅105 КОЭ/см3.
3. Результаты производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности установки обеззараживания молока УФ и ИК - излучением.
Практическая значимость исследования:
- снижены затраты электроэнергии на 30% и получены молочные продукты с заданными свойствами при совместной обработке молока УФ и ИК - излучением;
- разработано устройство обеззараживания молока УФ - излучением для использования в комбинированном режиме облучения с ИК - пастеризатором, позволяющее снизить обсемененность до 3⋅105 КОЭ/см3 при температуре 72оС;
- разработаны исходные требования на установку обеззараживания молока УФ и ИК - излучением производительностью до 1000 л/час;
- годовой экономический эффект от реализации результатов работы составляет 81590 рублей для молочной фермы на 400 коров.
Апробация результатов исследования
Основные положения и результаты диссертационной работы использованы при подготовке отчетов по контракту № 1280/13 от 02 сентября 2008 года с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации (Департамент пищевой и молочной промышленности) в 2009 году; доложены и одобрены на 7-й Международной научно-технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве (18 - 19 мая 2010 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ).
Публикации
Основные положения и результаты диссертации изложены в 8 печатных работах, в том числе в трех работах в издании, указанном в Перечне ведущих журналов и изданий ВАК Минобразования и науки РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на 109 страницах текста, содержит 17 рисунков, 15 таблиц и 5 приложений на 36 страницах. Список использованной литературы включает 109 наименований, из которых 6 на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, кратко изложены основные положения, выносимые на защиту,
дана общая характеристика работы.
Первая глава Современное состояние пастеризации молока и задачи исследования посвящена анализу существующих способов пастеризации молока и оценке воздействия электромагнитных излучений в УФ и ИК -диапазонах на свойства молочного продукта.
Пастеризация молока является одним из основных процессов в молочной промышленности. Проводится она не только с целью уничтожения патогенной микрофлоры, но и с целью инактивации ферментных систем и создания определенных качеств готового продукта из молока. Традиционные высокотемпературные обработки молока (стерилизация и пастеризация с использованием пара) гарантируют высокую стерильность, но при этом приводят к разрушению полезных компонентов (ферментов, витаминов и других), что в конечном итоге не благоприятно сказывается на продукте в целом.
Для тепловой пастеризации молока применяются пастеризаторы типа ПМР-02-ВТ с роторными нагревателями мощностью 17 кВт и производительностью 1000 л/час или с электрокотлом мощностью 25 кВт и производительностью до 2000 л/час. Данное оборудование обеспечивает решение поставленных задач, но требует больших энергетических и капитальных затрат.
ИК - пастеризаторы и комбинированные УФ и ИК - пастеризаторы у нас в стране и за рубежом не выпускаются.
Для исследования воздействия УФ - излучения на тонкие слои молока 10 - 20 мкм фирмой ЗАО ДЕГА Инжиниринг была создана экспериментальная установка нетеплового обеззараживания молока бактерицидными ртутными лампами НД мощностью 20 и 40 Вт, на которой изучались спектральные характеристики основных компонентов молока в УФ-С области спектра. Качество молока по технологическим показателям и питательной ценности отвечало ГОСТ Р 52054-2003 13264-88.
В мировой практике требования к нормируемой дозе УФ - облучения при обеззараживании жидких продуктов варьируются в пределах от 16 до 40 мДж/см2. Общие стандартные требования, предъявляемые к качеству и сортности молока в РФ - бактериальная обсемененность до 3⋅105 КОЭ/см3.
Для снижения энергозатрат и повышения качества молочных продуктов представляется перспективным комплексное использование УФ -излучения и ИК - пастеризатора, позволяющее снизить температуру пастеризации молока и обсемененность. Основные преимущества установок с УФ и ИК -излучением для обеззараживания молока следующие:
- возможна целенаправленная обработка молока с получением наилучших свойств, требуемых для дальнейшей переработки (хорошая сквашиваемость для производства кисломолочных продуктов, низкая влагоудерживающая способность белков для производства сыра и творога), и витамина D3;
- качество молока по технологическим показателям и питательной ценности превосходит молоко, обработанное традиционным тепловым способом;
- удельный расход электроэнергии на 30% ниже, чем в традиционных установках;
- для работы установки не требуется пар и система подготовки горячей воды.
Исследованиями известных ученых Айзенберга Ю.Б., Банниковой Л.А., Вассермана А.Л., Гаврюшенко Б. С., Гизатулина В. Г., Козинского В.А., Коряжнова В. П., Краснокутского Ю. В., Магда В.И., Рогова И. А., Свентицкого И.И., Твердохлеба Г. В., Харитонова В. Д., Цоя Ю. А., Шидловской В. П. и других решены ряд теоретических и прикладных задач в области обоснования параметров и режимов установок для обработки молока. Однако вопрос комплексного использования УФ -излучения и ИК -пастеризатора изучен не полностью, что позволило определить предмет и объект исследования.
На основании проведенного анализа была поставлена цель и определены задачи исследований, направленные на разработку энерго- и ресурсосберегающей установки пастеризации молока УФ и ИК- излучением.
Во второй главе лТеоретические исследования УФ и ИК - пастеризации молока приведены:
- результаты исследования оптических свойств молока под воздействием УФ - излучений;
- методика расчета параметров ОБУ и обоснование выбора устройства УФ -излучения (спектр, интенсивность, доза облучения, продолжительность) для УФ - обеззараживания молока с погруженным источником излучения;
- результаты исследования воздействия УФ и ИК -излучения на микробный, витаминный и аминокислотный состав молока.
Спектральный коэффициент поглощения молока е() при е= 0 определяется из уравнения: е () = 1 - е(),
где е() - спектральный коэффициент отражения излучения молоком.
Проведено исследование зависимости коэффициента поглощения е() от длины волны - в УФ -диапазоне 185 - 380 нм с шагом =1 нм. Измерения проводились на спектрофотометре типа UV-VIS SPECORD M40.В качестве объекта использовалось молоко первого сорта. Спектральная характеристика молока представлена на рис. 1.
| Рис. 1. Спектральная характеристика молока |
Из рис. 1 видно, что каждая составляющая молока (молочный жир, лактоза) имеет свой, присущий только ей, спектр поглощения. Учитывая действие УФ и ИК -излучения на органические компоненты молока (жиры, белки, углеводы и т.д.), можно проводить целенаправленную обработку молока, селективно воздействуя на его определенные составляющие.
Наиболее ценной составляющей частью молока являются белки. С увеличением интенсивности теплового воздействия в диапазоне температур 80-920С, содержание общего и неказеинового белка существенно снижается. Содержание белков в молоке после УФ и ИК - обработки, практически не меняется при температуре 70 - 720С. Следовательно, пищевая ценность такого молока выше, чем пастеризованного традиционными способами. Влагоудерживающая способность белков после УФ и ИК -обработки ниже, чем при традиционных способах обработки. Этот эффект имеет большое значение при производстве творога или сыра, поскольку вследствие хорошего отделения сыворотки, проще получить сгусток требуемой влажности для сыра или творога высокого качества. УФ- и ИК-обработка молока позволяет получать продукты с улучшенными свойствами.
Качество всех молочных продуктов сильно зависит от состояния жировой фазы и минерального состава молока. Высокое качество молока после обеззараживания УФ и ИК -нагревом объясняется наличием мягких условий нагревания, отсутствием интенсивного пригара на нагревательных поверхностях и снижением обсемененности. Пищевая ценность молока, в части жирности, витамина С и минерального состава, после обеззараживания УФ и ИК -нагревом при температурах до 720С не меняется.
Для исследования воздействия УФ -излучения на молоко нами было разработано специальное устройство для обработки минимально возможных тонких слоев (до 0,75 см) молока УФ -излучением бактерицидной амальгамной лампы НД, схема которого приведена на рис. 2.
Рис. 2. Схема устройства обеззараживания молока с погруженным источником УФ -излучения: 1- входной патрубок; 2-УФ лампа; 3-кварцевый чехол; 4- выходной патрубок
Методика и расчет ОБУ для УФ -обеззараживания молока с погруженным источником излучения основывается на определении коэффициента поглощения молока α, дозы облучения Ннорм, бактерицидной облученности Ебк, времени обработки t и эффективного бактерицидного потока УФ -излучения Фе. Основной характеристикой процесса УФ - обеззараживания, определяющей степень снижения количества микроорганизмов в процессе облучения, является нормированная доза облучения - Ннорм = 16 мДж/см2.
Расчетная схема ОБУ пастеризации молока с погруженным источником ОИ приведена на рис. 3.
Рис. 3. Расчетная схема ОБУ обеззараживания молока с погруженным источником ОИ: 1 - разрядная бактерицидная лампа НД; 2 - кварцевый цилиндрический чехол; 3 - корпус установки из нержавеющей стали |
Процесс уничтожения бактерий под действием УФ -излучения подчиняется экспоненциальному закону:
, (1)
где Nв = 3⋅105 КОЭ/см3 - допустимое после обеззараживания количество выживших бактерий Е.Сoli в молоке; N0 = 3⋅106 КОЭ/см3 Ц начальное до обеззараживания количество этих бактерий.
С учетом коэффициента запаса (Кз) из формулы (1) следует:
Ебк = - Кз ⋅ Ннорм ⋅ t-1 ⋅ ln Nв/N0. (2)
Выбираем Кз = 2,2; ln Nв/N0 = -2,3; t = 1 с. Тогда: Ебк ср = 81 мВт/см2.
Для обеззараживания выбираем лампу ДБ-145 мощностью 145 Вт в кварцевом чехле ОБУ. Параметры лампы: межэлектродное расстояние - 77 см; диаметр - 19 мм.
Принимаем наружный диаметр кварцевого чехла d = 25 мм, длину рабочей части b = 770 мм и находим площадь облучаемой поверхности кварцевого чехла: Sтр = πd ⋅ b = 605 см2. (3)
Бактерицидный поток (Фбк) лампы ДБ-145 находится по формуле:
Фбк = Ебк ⋅ Sтр = 49000 мВт = 49 Вт. (4)
Допустимые толщины слоя молока (h), обрабатываемого бактерицидным потоком от лампы, можно определить по формуле:
Ебк = Ебк 0 ⋅ е-αh, (5)
так как бактерицидный поток от лампы рассеивается в жидких средах по экспоненциальному закону Ламберта - Бугера - Вавилова, где Ебк 0, Ебк, соответственно, облученность на внешней поверхности кварцевого чехла и на глубине h; α = 0,47 см-1 (принятый коэффициент поглощения молока определенной жирности).
Допускаем снижение облученности при прохождении слоя молока толщиной h на 30%, т.е. Ебк = 0,7Ебк 0, или из формулы (5) следует: 0,7 = е-αh. После логарифмирования получим: ln 0,7 = -α ⋅ h (6)
Отсюда, допустимая толщина обрабатываемого слоя молока h = 0,75 см.
Для молока с другой жирностью, для которой α = 0,37 см-1, допустимая толщина слоя молока h = 0,95 см. Для ОБУ принимаем h = 0,75 см.
Значение среднего времени для этих установок определяют как:
tср = b ⋅ π ⋅ (R2 - r2) / Q, (7)
где R = 2,0 см - внутренний радиус металлического корпуса из нержавеющей стали; r = 1,25 см - внешний радиус кварцевого чехла; Q = 280 см3/с - производительность установки обеззараживания молока (1000 л/ч). Тогда, tср = 2 с.
Максимальным бактерицидным действием обладает УФ -излучение в диапазоне длин волн 205-315 нм, которое проявляется в деструктивно-модифицирующих фотохимических повреждениях ДНК клеточного ядра микроорганизмов, что приводит к гибели микробной клетки в первом или последующем поколении.
Реакция живой микробной клетки на УФ - излучение неодинакова для различных длин волн. Зависимость спектральной бактерицидной эффективности I(λ)omн от длины волны излучения λ, нм приведена на рис. 4.
Рис. 4. Кривая относительной спектральной бактерицидной эффективности УФ - излучения (влияние длины волны УФ - излучения на содержание микроорганизмов в молоке) [Iбк (λ)] |
Установлено, что ход кривой относительной спектральной бактерицидной эффективности для различных видов микроорганизмов практически одинаков. Более чувствительны к воздействию УФ - излучения вирусы и бактерии (Е.Сoli, микрококки) в вегетативной форме. В качестве основной радиометрической (эффективной) величины, характеризующей бактерицидное излучение, является бактерицидный поток. Значение бактерицидного потока Фбк может быть вычислено с учётом относительной спектральной бактерицидной эффективности по формуле:
Фбк =, Вт, (8)
где 205÷315 - диапазон длин волн бактерицидного излученния, нм; Фе,λ - значение спектральной плотности потока излучения, Вт/нм; S(λ)отн - значение относительной спектральной бактерициднной эффективности; Δλ - ширина спектральных интервалов суммирования, нм.
Бактерицидный поток составляет определенную долю от энергетического потока Фе источника излучения в диапазоне длин волн 205-315 нм, падающего на биологический приемник, эффективно расходуемую на бактерицидное действие, т.е.: Фбк = ФеКбк, Вт, (9)
где Кбк - коэффициент эффективности бактерицидного действия излучения источника определенного спектрального состава, значение которого находится в пределах от 0 до 1.
Значение Кбк для ртутных ламп НД, максимум излучения которых сосредоточен в линии 253,7 нм, равно 0,85.
При облучении микроорганизмов наблюдается экспоненциальная зависимость между числом выживших микроорганизмов NB от начального уровня N0 и значением дозы Hs. Такой процесс при облучении поверхности аппроксимируется выражением:
, (10)
где σs - константа, характеризующая значение фоточувствительности данного вида микроорганизма при поверхностном УФ - облучении.
Если обозначить бактерицидную эффективность Iбк, как отношение числа погибших микроорганизмов Nп к их начальному значению N0, выраженное в процентах и учесть, что Nп = N0 - Nв, то используя формулу (10), получим выражение для бактерицидной эффективности при облучении поверхности:
, % (11)
В табл. 1 приведены значения констант для некоторых микроорганизмов при их облучении на поверхности УФ - излучением с длиной волны 253,7 нм.
Таблица 1. Константы фоточувствительности для некоторых микроорганизмов при облучении поверхности (σs, м2/Дж)
Бактерии | σS | Бактерии | σS |
Bacillus anthracis | 0,051 | Micrococcus sphaeroides | 0,053 |
Bacillus subtilis (veg) | 0,032 | Salmonella enteritidis | 0,058 |
Bacillus subtilis (spores) | 0,019 | Salmonella paratyphi | 0,072 |
Campylobacter jejuni | 0,209 | Salmonella typhimurium | 0,029 |
Eberthella typhosa | 0,108 | Shigella sonnei | 0,077 |
E. coli | 0,077 | Staphylococcus aureus | 0,047 |
Klebsiella terrifani | 0,089 | Staphylococcus faecalis | 0,053 |
Micrococcus candidus | 0,038 | Staphylococcus hemolyticus | 0,106 |
Phytomonas tumefaciens | 0,023 | Streptococcus lactus | 0,037 |
Преобразуя формулу (11) и используя взятые из табл. 1 значения констант σs, можно определить необходимое значение дозы для уничтожения микроорганизма при заданной бактерицидной эффективности 90, 95, 99% при поверхностном облучении:
(12)
Например, для Iбк=90% значение дозы для уничтожения бактерий E.Сoli c σS=0,077 м2/Дж составит НS = 30 Дж/м2.
В табл. 2 указаны экспериментальные значения доз Нбк и бактерицидной эффективности Iбк для некоторых видов микроорганизмов при их облучении УФ - излучением с длиной волны 254 нм.
Таблица 2.
Виды бактерий | Дозы, Дж/м2 при бактерицидной эффективности, Iбк % | |
90 | 99, 9 | |
Staphylococcus aureus (Золотистый стафилококк) | 49 | 66 |
Staph. epidermidis (эпидермальный стафилококк) | 33 | 57 |
Streptococcus - haemoliticus (гемолитич. стрептококк) | 21 | 55 |
Str. viridans (зеленящий стрептококк) | 20 | 38 |
Corynebakterium diphteria (дифтерийнная палочка) | 34 | 65 |
Micobakterium tuberculosis (туберкунлезная палочка) | 54 | 100 |
Sarcina flava (желтая сардина) | 197 | 264 |
Bacillus subtilis (споры сенной панлочки) | 120 | 220 |
Escherichia coli (кишечная палочка, Е.Соli) | 30 | 66 |
Salmonella typhi (брюшнотифозная панлочка) | 21 | 41 |
Shigella (дизентерийная палочка) | 16 | 42 |
Salmonella enteritidis (салмонелла энтеритидис) | 40 | 76 |
Salmonella typhimurium (салмонелла мышиного тифа) | 80 | 152 |
Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка) | 55 | 105 |
Enterococcus (энтерококк) | 40 | 120 |
Результаты статистической обработки микробиологических анализов исходного и обработанного молока изображены на рис. 5. На горизонтальной оси отмечена доза УФ - обработки Ннорм, на вертикальной - исходное количество микроорганизмов Nп/N0 (см. табл. 2).
Из рис. 5 видно, что, несмотря на начальный интенсивный спад количества микроорганизмов в 10-30 раз, начиная с дозы 80 Дж/м2 и до дозы 160 Дж/м2, гибель микроорганизмов во всех случаях несущественна. Это указывает на то, что в молоке остаются относительно устойчивые к УФ -облучению микроорганизмы. Анализ состава выживающих микроорганизмов выходил за рамки проведенных исследований.
| Рис. 5. Изменение общей обсемененности Е.Coli в зависимости от дозы УФ -обработки |
При обработке молока cледует учитывать время уничтожения наиболее стойких патогенных микроорганизмов (микрококки и кишечная палочка - Е.Coli) в зависимости от температуры их нагревания (табл. 3).
На рис. 6 указаны эффективные режимы пастеризации молока в зависимости от времени обработки.
| Рис. 6. Зависимость режимов пастеризации молока ИК - излучением (ТоС) от времени уничтожения микроорганизмов(t, c) |
Таблица 3.
Температура нагрева | Время уничтожения (t), сек | |
микрококков | E.Coli | |
80 | 1-2 | - |
75 | 3-5 | 2 |
70 | 10-20 | 3-5 |
65 | 30-60 | 45-60 |
60 | 300-600 | 180-300 |
55 | 600-1200 | 900-1200 |
В третьей главе Экспериментальное обоснование технологических и конструктивных параметров установки обеззараживания молока УФ - и ИК - излучением представлены технические решения для реализации комбинированного способа пастеризации молока по результатам исследований влияния УФ и ИК - излучений на микробный, витаминный и аминокислотный состав молока и расчетам технологических и конструктивных параметров УФ - пастеризатора молока.
Для исследования воздействия УФ - излучения на тонкие слои молока было спроектировано и создано специальное устройство для обработки молока УФ - излучением амальгамной лампой НД (рис. 7), определения времени перекачивания молока с модуля УФ и ИК - излучения (использовался готовый модуль ИК - пастеризации) и производительности установки. Эффективное воздействие УФ - излучения для уничтожения бактерий этой лампой находится в спектральной области с mx=253,7 нм. В данной экспериментальной установке типа ПМ-1-М используется амальгамная бактерицидная лампа НД мощностью 145 Вт типа ДБ-145 с ЭПРА Л~220-1×300-2222-16.
Исследованы электрические и радиометрические (табл. 4) характеристики бактерицидной лампы НД мощностью 145 Вт с комплектом (лампа +ЭПРА). Определена величина УФ - облученности в зоне С радиометром ТКА УФ-АВС на поверхности кварцевого чехла (Ебк = 8,1 Вт/м2) и эффективный бактерицидный поток - Фбк = 49 Вт.
Таблица 4. Электротехнические и радиометрические параметры бактерицидной лампы НД мощностью 145 Вт
Uс,В | РЛ+ЭПРА | УФ-С, Вт/м2 | Iр,А | РА | cos |
220 | 172 | 8,1 | 1,23 | 145 | 0,96 |
Примечание: межэлектродное расстояние бактерицидной лампы НД - 77 см; диаметр внешнего кварцевого стекла - 2,5 см; площадь облучаемой поверхности S= 605 см2.
Особенность конструкции позволяет также рассматривать один излучатель как отдельный модуль, а сама установка может состоять из одного или нескольких модулей, соединенных между собой последовательно или
параллельно.
Рис. 4. Устройство для обработки молока УФ - излучением с
амальгамной лампой НД мощностью 145 Вт
Это позволяет увеличить длительность обранботки продукта, которая может регулироваться также создаваемым напором на входе установки. Другая особенность этого облучателя - в том, что обрабатываемый продукт находится в замкнутом рабочем объеме, вследствие чего возможно снижение интенсивности окислительных процессов, идущих на поверхности продукта.
Из табл. 4 можно определить эффективный бактерицидный поток Фбк экспериментального УФ - облучателя молока: Фбк = Ебк × S = 49 Вт.
На основе полученных данных была разработана функциональная схема (рис. 8), исходные требования и изготовлен экспериментальный образец установки комбинированной пастеризации молока данными излучениями (ПМ-01-М) производительностью 2001000 л/ч.
Молоко поступает на обработку в приемную емкость 3, где с помощью специального регулятора поддерживается его постоянный уровень. Из емкости 1 центробежным насосом 16 молоко прокачивается через теплообменник-рекуператор 14, где перед поступлением в рабочее пространство УФ - облучателя 4 оно встречным потоком обработанного продукта дополнитель-
но подогревается (через разделительную стенку) и, пройдя тонким слоем через УФ - облучатель 4, подается в верхнюю часть рабочей поверхности ИК -облучателя 9, где нагревается ИК излучением до заданной температуры, например, 720С. Затем насосом выдачи 12 молоко прокачивается через теплообменник-рекуператор 14, охлаждаясь в нем встречным потоком молока, поступающего на обработку. Клапан 2, в зависимости от температуры молока на выходе из рабочего пространства, направляет его в линию готового продукта или возвращает в приемную емкость 3 для повторной обработки. Установка содержит также исполнительное устройство, которое входит в состав системы управления исполнительными механизмами (клапаны, насосы), шкаф управления и персональный компьютер.
На входе ИК - пастеризатора установлен калиброванный молочный вентиль, позволяющий устанавливать необходимый расход молока. На выходе из этого пастеризатора установлен термодатчик, регистрирующий температуру молока и управляющий исполнительным механизмом трехходового клапана, который устанавливает последний в положение выдача или рециркуляция. Одновременно термодатчик вырабатывает аналоговый сигнал, который поступает на силовой блок в шкаф управления уровнем мощности ИК - пастеризатора.
Работа комбинированного пастеризатора обычно осуществляется в несколько этапов: предварительная промывка технологического оборудования водой и выход на режим пастеризации; режим обработки молока УФ и ИК облучением; выход из режима пастеризации; промывка технологического оборудования моечными и дезинфицирующими растворами.
Потребляемая установкой мощность - примерно, 12 кВт; напряжение сети - 380/220 В; регулировка температуры пастеризации - от 65 до 950С; производительность - 2001000 л/ч.
Рис. 8. Функциональная схема установки: 1-молочный вентиль, 2- клапан, 3 - приемный бак, 4 - УФ - излучатель, 5 - регулятор расхода молок, 6 - патрубок входной ИК - пастеризатора, 7 - поплавок, 8- камера пастеризатора, 9 - ИК-излучатель, 10 - приемная камера, 11 - выходной патрубок, 12 - насос выдачи,
13 - трубопровод выдачи, 14 - теплообменник, 15 - трубопроводы подачи,
16 - насос подачи, 17 - вентиль, Т1..Т4 - датчики температуры
В четвертой главе Испытание экспериментального образца установки для обеззараживания молока УФ и ИК - излучением и технико-экономический расчет применения установки приведены результаты экспериментальных исследований при различных режимах пастеризации молока УФ и ИК - излучениями. Испытания и исследования проводились в лабораторном корпусе ВИЭСХ и микробиологической лаборатории ВНИМИ.
На рис. 9 показан общий вид пастеризатора с УФ и ИК - облучением молока. Процесс обработки молока в установках УФ и ИК - пастеризации полностью автоматизирован, оператор только задает режимы, а система управления, с помощью современных средств электроавтоматики, перераспределяет поток продукта, контролирует параметры и архивирует получаемые значения, обеспечивает работоспособность и надежность систем управления.
Пастеризаторы с УФ и ИК - нагревом должны иметь такие преимущества, как высокий КПД преобразования электрической энергии в тепловую, снижение трудовых затрат и расхода электроэнергии в среднем на 20-40%, улучшение санитарно-гигиенических условий труда, снижение обсемененности до 3105 КОЭ/см3.
Рис .9. Общий вид комбинированного обеззараживателя с УФ и ИК - облучением молока:
1-бак накопительный; 2-шкаф управления; 3-УФ-излучатель; ИК-излучатель; 5-компьютер; 6-насос подачи молока; 7-теплообменник; 8-исполнительное устройство; 9-трехходовой кран; 10-насос подачи молока
Исследовалось влияние УФ и ИК излучений на микробный, витаминный и аминокислотный состав молока. Объектами исследований являлись образцы молока, полученного из хозяйства Московской области.
Температурными точками, предназначенными для определения качества обеззараживания молока с помощью теплового воздействия, были выбраны температуры: 650С, 720С, 860С и 920С; количество экспериментов - 12, объем исследуемого молока - 1000 л.
К режимам обработки предъявлялись следующие требования:
- снижение уровня бактериальной обсемененности молока под влиянием электромагнитных волн в ИК и УФ диапазонах - не более 3105;
- изменение свойств белка молока под влиянием электромагнитных волн в ИК и УФ диапазонах - не более 30%;
- изменение количества свободных жирных кислот молока под влиянием электромагнитных волн в ИК и УФ диапазонах не более 80%;
- повышение уровня витамина D при УФ обработке молока - не менее 0,0002 мкг/100г.
В табл. 5 приведены средние значения показателей микробиологической обсемененности микроорганизмами.
Таблица 5. Средние значения показателей микробиологической обсемененности микроорганизмами КОЕ/см3 в образцах по экспериментам
№ п/п | Наименование образца | Среднее значение |
1 | Исходное молоко | 3,5106 |
2 | Молоко УФ | 2,8106 |
3 | Молоко ИК, 860С | 3105 |
4 | Молоко ИК+УФ, t=650С | 1,5106 |
5 | Молоко ИК+УФ, t=720С | 3,0105 |
6 | Молоко ИК+УФ, t=860С | 1,9104 |
7 | Молоко ИК+УФ, t=920С | 1,0104 |
При анализе усредненных данных получены достаточные значения для разработки Технологического регламента производства молока.
Оценка экономической эффективности установки обеззараживания молока УФ и ИК - излучением проводилась по методу приведенных затрат в сравнении с серийной установкой пастеризации молока ПМР-02-ВТ с электрокотлом (производитель - ЗАО Агроживмаш-технология) с учетом исходных данных по табл. 6.
Таблица 6. Исходные данные для технико-экономического сравнения двух установок пастеризации молока в случае типовой фермы на 400 коров
Показатель | Базовый вариант | Новый вариант |
Тип установки | ПМР-02-ВТ | ПМ-01-М |
Цена установки, руб. | 580 000 | 350 000 |
Производительность, л/час | Пб = 1000 | Пн = 1000 |
Мощность, кВт | 17 | 12 |
Напряжение питающей сети, В | 380/220 | 380/220 |
Стоимость электроэнергии, руб/кВтч | 3,0 | 3,0 |
Среднегодовой удой на фуражную корову, л | 4000 | 4000 |
Годовой надой молока по ферме в 400 голов, т | 1а600а | 1а600 |
Число часов работы в сутки, час | 4,4 | 4,4 |
Число часов работы установки в год, час | 1600 | 1600 |
Температура пастеризации молока, 0С | 86 | 72 |
Результаты технико-экономического расчета применения установки обеззараживания молока УФ и ИК - излучением приведены в табл. 7.
Таблица 7. Результаты технико-экономического расчета применения установки обеззараживания молока УФ и ИК -излучением
Показатель | Базовый вариант | Новый вариант |
Капитальные вложения, руб | 580 000 | 350 000 |
Стоимость электроэнергии в год, руб. | 81906 | 57816 |
Стоимость амортизационных отчислений, руб. | 58 000 | 35 000 |
Приведенные затраты, руб. | 226906 | 145316 |
Годовой экономический эффект, руб. | - | 81590 |
В сравнении с серийной установкой типа ПМР-02-ВТ годовой экономический эффект от эксплуатации установки пастеризации молока УФ и ИК облучением благодаря сокращению расхода электроэнергии составляет порядка 81590 руб. Срок окупаемости затрат - 2,8 года.
Основные выводы
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
- Предлагаемая технологическая установка обеззараживания молока УФ и ИК - излучениями эффективна, экологически безопасна и универсальна для обработки жидкостей с различными физико-химическими и биологическими свойствами.
- На основании проведенных исследований и данных, полученных при определении микробиологических параметров обработанного молока можно рекомендовать для дополнительной обработки молока источники УФ -излучения мощностью 145 Вт.
- Для обеззараживания молока при его пастеризации необходимо принимать нормируемую дозу облучения 16 мДж/см2 и обеспечивать минимально возможный слой обрабатываемого молока 0,75 см.
- Предлагаемый способ комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК облучением позволяет упростить процесс обработки молока при одновременном повышении его качества вследствие образования витамина D3, снизить время пастеризации до нескольких секунд и экономить до 30% электроэнергии.
- Производственные испытания показали технико-экономическую эффективность разработанной установки при комбинированном способе обеззараживания молока УФ и ИК - излучениями: в опытном варианте снижается обсемененность молока на 4 порядка; снижаются энергозатраты в полтора раза; годовой экономический эффект (без учета наценки за технологический эффект в следствие образования витамина D3) составляет 81590 рублей. Применение установки типа ПМ-01-М для обеззараживания молока в фермерских хозяйствах позволит окупить капитальные вложения в течение 4-х лет.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах
Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:
- Кручинин П. Г., Летаев С. А., Малышев В. В. [Текст]/ Энергосберегающие источники для освещения птицы при клеточном содержании // Техника в сельском хозяйстве - 2009. - № 5.- С.20-22.
- етаев С. А. [Текст]/ Интегральная обработка молока УФ и ИК -излучением.// Сельский механизатор - 2011. - № 5.- С.30-31.
- етаев С. А. [Текст]/ Инфракрасный обогрев молодняка // Сельский механизатор - 2011.-№9,-С.26-27.
Публикации в других изданиях:
- Кузьмичев А. В. Комбинированный способ пастеризации молока инфракрасным и ультрафиолетовым излучением [Текст] /Летаев С. А., Малышев В. В., Тихомиров Д. А.//Труды 7-й Международной научно-технической конференции Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. Ч.3-М., ВИЭСХ,2010,С.255-261.
- етаев С. А. Технико-экономическое обоснование установки пастеризации молока инфракрасным и ультрафиолетовым излучением [Текст] / Малышев В. В.// Труды 7-й Международной научно-технической конференции Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. Ч.3-М., ВИЭСХ,2010,С. 261-266.
- ямцов А. К. Технико-экономическое сравнение вариантов освещения птицы при клеточном содержании [Текст]/Летаев С. А., Малышев В. В., Гришин К. М. // Труды 7-й Международной научно-технической конференции Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. Ч. 3.-М., ВИЭСХ, 2010, С.270-276.
- етаев С. А. Экспериментальные исследования при различных режимах пастеризации молока УФ и ИК - излучениями [Текст]/Малышев В. В.// Материалы 7-й международной научно-практической конференции. С-Петербург, 17-19 мая, т.3 2011, С. 238-243.
- етаев С. А. [Текст]/Технологическое устройство регулирования обогрева молодняка животных./ Perfect Agriculturе. Технологии в животноводстве. № 2, 2011, С. 14-15.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям