CC BY
29
ПЕРЕРАБОТКА
УДК 664.6.7
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА СУШКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МЯСОКОСТНОГО ФАРША В СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
Н.Я. ФЕЛЬДМАН, кандидат технических наук В.А. УГЛОВ, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник,
Е.В. БОРОДАЙ, научный сотрудник Сибирский научно-исследовательский институт переработки сельскохозяйственной продукции Рос-сельхозакадемии, Россия, Новосибирская обл., п. Краснообск, а/я 358
E-mail: GNU_IP_ER@ngs.ru
Резюме. В статье представлены результаты экспериментальных исследований процесса сушки мясокостного фарша на лабораторной конвейерной сверхвысокочастотной (СВЧ) установке, работающей на частоте 915 МГц. Приведены основные закономерности процесса, связанные с физико-биологическими особенностями исследованного сырья. Рассмотрены механизмы процесса сушки и инактивации микроорганизмов. Установка включаетволноводную камеру, через которую транспортируется фарш, и все необходимые измерительные приборы. Обоснована оптимальная схема промышленной установки. Она представляет собой 3 последовательно соединенные волноводные камеры сечением равным волноводному выходу серийного генератора МГ-50 (104 х 220 мм). Ввод фарша осуществляется через последнюю камеру цепочки, то есть через камеру, запитываемую наименьшим уровнем мощности. Такая схема позволяет значительно снизить в сыром фарше содержание воды, которая поглощает в процессе обработки наибольшее количество электромагнитной энергии. Схема обеспечивает обеззараживание продукта на заключительном этапе обработки. Предложенная система позволяет снизить влажность фарша с 40 до 6...10% и инактивировать микроорганизмы на 99,99% при мощности генератора 20 кВт, толщине слоя фарша 3 см и экспозиции 30 с. Расчетная производительность установки по сырому фаршу составляет 145 кг/ч, КПД процесса - 70.80%. Устройство защищено патентом № 2428038. Ключевые слова: СВЧ-поле, волноводная камера, инактивация микроорганизмов, сушка, падающая мощность, поглощенная мощность, генератор СВЧ.
Дефицит кормов животного происхождения стимулирует поиск различных их источников. Например, в процессе выработки отдельных мясопродуктов образуется до 15% пищевой кости, которую сегодня мало используют, как на пищевые, так и на кормовые цели. Мясокостный фарш содержит комплекс питательных и биологически активных веществ. В его состав входят легкоусвояемыми минеральные соединения, белок, макро- и микроэлементы (Са, Р, Со, J), витамины (Е, В3, В4, В5, В6). Содержание белка в таком продукте составляет не менее 22 % [1].
В то же время исследования по обеззараживанию мясокостного фарша с целью обеспечения его доброкачественности практически отсутствуют. В этой связи мы изучили возможности использования обработки мясокостного фарша в электромагнитном поле СВЧ диапазона, преимущества которого перед другими способами термообработки общеизвестны [2...4].
Обработка мясокостного фарша предусматривает его сушку до необходимой влажности и инактивацию микроорганизмов, содержащихся в исходном сырье для обеспечения санитарной безопасности.
Цель наших исследований - разработка принципиальной промышленной схемы волноводной СВЧ-установки, обеспечивающей качественные сушку и
обеззараживание мясокостного фарша при высокой производительности.
Условия, материалы и методы. Экспериментальная установка предназначена для работы на частоте 1 = 915 МГц (рис. 1). Камера построена на прямоугольном волноводе сечением 104 х 220 мм. СВЧ-генератор (типа МГ-50) обеспечивает излучение мощностью 5.40 кВт.
Измерение падающей Рпад и отраженной Ротр мощности осуществляется в автоматическом режиме 3 раза в секунду. Значения фиксируются в компьютере, усредняются во временном интервале At = 6 сек., проводится отсев случайных выбросов, которые могут возникнуть как результат каких-то выбросов в процессе обработки фарша, либо в генераторе, либо в системе измерений. Отсев осуществляется по критерию:
а/у <0,11 (1)
где а - стандартное отклонение; - - среднее по выборке значение отношения у = Рпр/ Рпад, где Рпр и Рпад - соответственно прошедшая и падающая мощность, кВт.
Численная величина критерия 0,11 определена экспериментально по итогам многократных измерений. Доля отсеиваемых результатов при этом не превышает 1%.
Измерение Рпр можно проводить так же, как и Рпад (рис. 1) стандартным ваттметром, подключенным к тракту через направленный ответвитель. На рис.1 приведена упрощенная схема измерения Рпр (поз. 3), осуществляемая с помощью двух, одинаково отградуированных по мощности, детекторных головок, размещенных на расстоянии Х/4 одна от другой. Их разнесение позволяет усреднить показания обеих го-
Рис. 1. Схема лабораторной установки для проведения экспериментальных исследований: 1 - СВЧ-камера; 2 - свободный вход воздуха и вытяжка пара из камеры; 3 - секция измерения неиспользованной в камере, прошедшей мощности Рпр; 4 - фторопластовая форма, в которой размещается исследуемый фарш; 5 - фарш; 6 - весы; 7 - направленный ответвитель; 8 - ваттметр измерения Рпад; 9 - ваттметр измерения Ротр; L - ширина потока фарша; I - длина взаимодействия СВЧ-волн с потоком фарша; г - толщина потока фарша; Н - согласованная нагрузка; Г - СВЧ-генератор; 10 - соединительные волноводы ; X - длина волны в волноводе; а, в - стенки волноводной камеры ; ГД - детекторные головки.
ловок по длине стоячей волны. Следует отметить, что подобное измерение Рпр обладает преимуществом, по сравнению с использованием ваттметра, которое заключается в практической безынерционности детекторных головок. Если мощность, излучаемая генератором Рпад, практически постоянна и потому инерционность ваттметра не сказывается на точности ее измерения, то величина Рпр меняется со скоростью исследуемого процесса. Поэтому безынерционность измерения Рпр играет большую роль в повышении точности измерения Рпр и, следовательно, Рпогл, п и р. Усреднение показаний детекторных головок в лабораторной установке осуществляется по формуле:
РПР =
(2)
где Р1 и Р2 - значение мощности в каждой детекторной головке, кВт.
Положение исследуемой порции фарша в волновод-ной СВЧ-камере, показанное на рис. 1, соответствует ее положению в остановившемся потоке фарша при прохождении через камеру в установке конвейерного типа. Все исследования проводили при различных значениях величин: толщина потока г - 3...5 см, мощность генератора Рпад - 5.20 кВт и время воздействия At - 30.120 с. При всех измерениях плотность сырого мясокостного фарша оставалась на одном уровне р = 0,64 кг/дм3, что обеспечивало постоянство соотношения фарша и воды, а также его структуры.
При СВЧ-обработке (количество опытов 18) в каждой порции фарша измеряли конечную максимальную температуру, исходную и конечную массу, что позволило определить как количество испаренной в процессе обработки воды, Ат, так и конечную влажность фарша. Исходную и конечную бактериальную обсемененность исследовали в соответствии СанПиН 2.3.2.1078-01.
Результаты и обсуждение. Сушка мясокостного фарша в СВЧ электромагнитном поле - это термический процесс испарения воды. Его сущность состоит в следующем. Электромагнитная энергия проникает во внутренние слои сырья и концентрируется в середине потока, создавая тем самым наиболее благоприятные условия для выделения паров воды. При этом все три градиента векторов влажности, температуры и давления направлены во внешнюю сторону [5]. Это оптимизирует процесс выделения паров воды из фарша при минимальных энергетических затратах.
В отсутствии диэлектрика электромагнитное поле распределяется по закону и = ооэу (Р=соб2у) с максимумом в осевой (по стенке «а») плоскости волновода [6]. При введении в камеру фарша, силовые линии концентрируются в нем. Концентрация их в своем осевом сечении повышается с ростом диэлектрической проницаемости с диэлектрика (в нашем случае, с увеличением влажности фарша). В начале процесса сушки при влажности Шо = 35.40% степень «втягивания поля» высока (рис. 2, в/1). По мере выделения пара из срединного сечения потока сырья диэлектрическая проницаемость падает, вследствие чего максимумы электрического поля перемещаются в направлении нижней и верхней границ потока фарша (рис. 2, в/2), продолжая интенсификацию процесса сушки. Это один из основных факторов, определяющих высокий КПД процесса сушки в СВЧ-электромагнитном поле. Указанное перемещение максимумов электромагнитного поля в значительной степени выравнивает воздействующее на поток фарша электромагнитное поле. Но среднее абсолютное значение поля в срединном сечении потока выше,
чем в сечениях, приближающихся к его верхней и нижней граням. Поэтому в случаях с критическими параметрами процесса (максимальная температура, минимальная влажность) их нужно выбирать исходя из допустимости в срединном сечении потока.
Инактивация микроорганизмов - это биологический процесс. Для ее активного прохождения необходим достаточный уровень мощности СВЧ-волн и температуры. Известно [7], что процесс инактивации микроорганизмов (как кишечной палочки, так и стафилококков) успешно проходит в импульсном режиме воздействия, то есть когда максимальная мощность воздействия выше средней мощности, пропорциональной скважности процесса воздействия (отношению периода посылок импульсов к их длительности).
Воздействие электромагнитного поля СВЧ диапазона требуемой мощности на микроорганизмы эффективнее, если влажность минимальна. Поэтому процессы сушки и обеззараживания фарша должны проходить последовательно: вначале сушка, то есть существенное уменьшение влажности, а затем инактивация микроорганизмов. Эффективность процесса воздействия электромагнитного поля СВЧ диапазона оценивается коэффициентом использования мощности (в) и коэффициентом полезного действия (КПД, п).
Значение в зависит от качества согласования СВЧ-тракта, включая согласование вводимого в СВЧ-камеру обрабатываемого материала:
в = Р /Р (3)
погл пад
Согласование характеризуется степенью отражения излучаемой генератором волны, как в тракте, так и непосредственно материалом, то есть отношением Ротр/ Рпад (где Ротр - отраженная мощность). При этом Ротр не только характеризует потери мощности, но и может привести к нарушению работы генератора.
Второй источник потерь - возможное поглощение мощности генератора, как оболочкой камеры, так и трактом подвода к ней СВЧ-энергии.
Рис. 2. Распределение электромагнитного поля в вол-новодной камере: а) в пустом волноводе; в) в волноводе с диэлектриком; 1 - до начала сушки; 2 - в процессе сушки.
КПД процесса характеризуется отношением необходимой энергии Qфиз для выполнения требуемого процесса, к реально расходуемой Qрасх. Например, при сушке материалов Qфиз = ц-Ато, где ц - теплота парообразования, Вт-сек/кг, Ато - количество испаряемой воды, кг. Реально расходуемая энергия определяется,
потерь мощности ниже 0,04 Рпад не существенно, а увеличение размеров и стоимости установки влияет на экономику процесса.
В этом случае производительность установки будет полностью определяться мощностью генератора и величинами п и р.В наших экспериментах
как Q
■ Р -А?, где А? - продолжительность воздей- при мощности Р = 20 кВт производительность
ствия, сек., то есть при сушке: л = 0 /0 =
I физ ^расх
(4)
Достигаемое значение величин п и р во многом зависит от теплофизических и диэлектрических характеристик обрабатываемого материала, а также от построения СВЧ-системы.
Первый этап процесса - сушка фарша происходит при одинаковом КПД, не зависимо от подаваемой на вход СВЧ-камеры мощности Рпад. Очевидно, это определяется рыхлой структурой фарша, не создающей значительных препятствий для выхода паров воды [7].
Для второго этапа (инактивация микроорганизмов) необходима минимальная мощность Рпад = 20 кВт. При этом достигается инактивация 99,99% микроорганизмов.
Изменение толщины потока г в пределах 3...5 см влияет только на общую продолжительность процесса (увеличивая его пропорционально г) из-за соответствующего роста массы обрабатываемого фарша. При г = 3 см она составляет 30 сек., а конечная влажность фарша Wк = 6.10%.
Коэффициент использования мощности в волно-водной камере р>0,9. Реальный источник потерь - отраженная мощность, определяемая соотношением Ротр / Рпад <0,1. Потери в стенках камеры и соединительных волноводах, изготовленных из немагнитных металлов (алюминий, нержавеющая немагнитная сталь марки 12Х18) пренебрежимо малы [8].
КПД полного процесса сушки без учета затрат энергии на инактивацию микроорганизмов п = 0,7.0,8.
В лабораторной экспериментальной установке вся не поглощенная фаршем мощность Рпр передается в согласованную нагрузку и поглощается ею. На заключительном этапе обработки (при проведении инактивации микроорганизмов) мощность, поглощенная нагрузкой, составляет 0,65 Рпад. Эта доля неиспользуемой мощности уменьшается с ростом влажности фарша и на начальном этапе сушки, то есть при максимальной влажности фарша Wо = 40%, она составляет 0,2 Рпад. Уменьшение передаваемой в нагрузку мощности в конвейерной установке для сушки и инактивации мясокостного фарша может быть достигнуто последовательным соединением нескольких идентичных камер, расположенных на одном транспортере (рис. 3). По результатам экспериментальных исследований при использовании трех камер она снижается до 0,04 Р
^ ' над
и при увеличении числа камер в цепочке может быть достигнута сколь угодно малой. В связи с этим, считаем целесообразным ограничиться тремя камерами, учитывая, что уменьшение
установки составила П = 73 кг/ч (по сырому фаршу). При толщине потока фарша г = 3 см и ширине L = 15 см скорость движения транспортера была равна и = 0,43 м/мин. Увеличение производительности возможно путем пропорционального наращивания мощности и скорости движения потока фарша через установку. Верхний предел мощности генераторов, выпускаемых отечественной промышленностью (МГ-50), составляет 40 кВт. Тогда, в установке по схеме на рис. 3 при скорости движения транспортера и = 0,86 м/мин. производительность может составить П = 145 кг/ч. Дальнейшее ее наращивание возможно путем увеличения числа генераторов (рис. 4).
Встречное включение двух генераторов, запиты-вающих соседние (по расположению на транспортере) камеры, обеспечивает в сумме выравнивание распределения мощности в этих камерах по закону гиперболического косинуса. Тогда, неравномерность поля 8 определяется законом:
8=сЛ(аЦ, (5)
где а - комплексный коэффициент диэлектрических потерь диэлектрика (фарша); L - ширина потока фарша, см.
Число встречно подключенных пар генераторов неограниченно, следовательно, установку можно построить на любую требуемую производительность (при пропорциональном увеличении скорости движения транспортера).
Следует отметить еще одно преимущество схемы последовательного расположения СВЧ-камер на транспортере. Температура обрабатываемого материала определяется средней мощностью воздействия на него. Проходя через камеру, фарш получает импульс, мощность которого определяется мощностью камеры, а длительность ти - скоростью ее прохождения. Средняя мощность воздействия определяется не только импульсной мощностью, но и периодом посылки импульсов:
Р .,-т
(6) (6)
где Рвозд - мощность нагрева фарша в камере, кВт; т = б/ и - период посылки импульсов, сек; и - скорость
Рис. 3. Схема соединения СВЧ-волноводных камер, размещенных на общем транспортере и составляющих единую СВЧ-печь: 1 - СВЧ-камера (1/1-запитываемая генератором Г1, первая камера цепочки и т. д.); 2 - фланцы, соединяющие волноводы; 3 - соединительные волноводы; 4 - защитные коробы ввода потока фарша; 5 - поток фарша. Г - СВЧ-генератор; Н - согласованная нагрузка.
Рис. 4. Схема соединения СВЧ-волноводных камер, размещенных на общем транспортере, при подключении системы от двух СВЧ- генераторов (обозначения позиций как на рис. 3), поз.6 - соединительные фланцы коробов.
ввод и вывод мясокостного фарша в камеры проводится через осевые щели в стенке «а» волновода для обеспечения прохождения его через камеру в области наивысшего значения электромагнитного поля;
направление потока обрабатываемого продукта в камере смещено относительно оси волновода на 30° для обеспечения
движения транспортера, м/мин.; d - расстояние между осями соседних камер, м.
Из (6) следует, что с увеличением расстояния между соседними камерами, то есть с ростом периода воздействия, средняя мощность падает, что обеспечивает снижение температуры диэлектрика. Но, с другой стороны, учитывая мгновенное проникновение электромагнитной энергии в диэлектрик, в том числе в воду, а также то, что теплота парообразования воды слабо зависит от ее температуры (в пределах 50.100 °С я изменяется на 5% [9]), КПД процесса сушки, а следовательно, и производительность установки практически не меняются. Таким образом, при необходимости снижения экстремальной температуры (более 120 °С) обрабатываемого фарша в процессе его СВЧ-сушки можно достичь простым увеличением расстояния между камерами путем удлинением транспортера.
Рассматривая схемы СВЧ-установки (см. рис. 3, 4) необходимо учитывать следующие факторы:
оптимизации согласования СВЧ-тракта.
фарш, размещенный в формах из материалов с низкими диэлектрическими потерями (например, фторопласт), проходит через установку сплошным потоком, непрерывность которого необходима для улучшения согласования СВЧ-тракта.
Выводы. Сушку и обеззараживание мясокостного фарша необходимо проводить в едином процессе. Вначале сушку под воздействием имеющейся минимальной мощности в проходных камерах установки, а затем его обеззараживание под воздействием полной мощности СВЧ-генератора.
Выбор параметров потока фарша (толщина, ширина) следует осуществлять в зависимости от начальной влажности продукта.
При исходной влажности 40%, мощности генератора Рпад = 20 кВт, толщине потока 3 см, ширине 15 см и скорости 0,43 м/мин. достигается полное обеззараживание фарша (99,99%) и его сушка до влажности 6.10%, при этом КПД установки составляет 0,7.0,8.
Литература.
1. Мясокостные колбаски для домашних животных/ В.Г.Ермохин, В.П.Долгушина, С.Н. Перфильева, Е.В. Бородай// Труды VМеждународной научно-практической конференции «Пища. Экология. Качество». Новосибирск, 2008. С. 135-136.
2. Акимова Е.Ю. Совершенствование технологии консервов из рыбы с использованием электромагнитного поля СВЧ: ав-тореф. дисс.на соиск.учен. степ. канд. техн. наук. М.: Московский Государственный университет прикладной биотехнологии, 1997. 24 с.
3. Воробьев В.В. Научно-практические основы создания эффективных технологий производства высококачественных продуктов из гидробионитов с использованием электромагнитного поля СВЧ: автореф. дисс. на соиск. учен. степ. д-ра техн. наук. М.: Московский Государственный университет прикладной биотехнологии, 2005. 54 с.
4. Белов А.А. СВЧ-установки для обработки яиц в птицеводческих хозяйствах: автореф. дисс. на соиск. учен.степ. канд. техн. наук. М.: ВИЭСХ, 2010. 20 с.
5. Кушнырев В.И., Лебедев В.И., Павленко В.А. Техническая термодинамика и теплопередачи. М.: Стройиздат.1986. 464 с.
6. Фельдман Н.Я. Некоторые вопросы сушки древесины в микроволновом поле //Деревообрабатывающая промышленность. 1996. № 6. С. 4-7.
7. Рогов И.А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1988. С.184-185.
8. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. М.: Государственное энергетическое из-во, 1963. С. 28.
9. Рогов И.А. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1986. 351 с.
FEATURES OF MEAT-AND-BONE MINCE DRYING AND DESINFECTION PROCESS IN MICROWAVE
ELECTROMAGNETIC FIELD N.Ya. Feldman, V.A. Uglov, E.V. Borodai
Siberian research Institute o f agricultural processing RAAS, Russia, Novosibirsk region, R.P. Krasnoobsk, P.O.B. 358 Summary. In the paper are given the results of experimental investigations into the microwave treatment of meat-and-bone mince using a laboratory conveying plant operating at the frequency of 915 MHz. Are OS-main regularities of the process associated with the physical and biological characteristics of the studied materials. The mechanisms of the process of drying and inactivation of microorganisms. The installation includes волноводную camera, which hosts the stuffing and all necessary measuring devices. On the basis of the researches justified the optimal scheme of an industrial installation. It is a 3 series United waveguide camera section equal to the waveguide final output serial generator MG-50 (104 x 220mm). Enter the flow of meat in the camera system is carried-out through the last camera chain, i.e. through the camera, power the lowest level of power and performance. Such scheme allows to considerably reduce the water content in raw stuff, because it absorbs during the processing of the greatest amount of electromagnetic energy. The scheme ensure ensures sterilization of meat on the final stage of processing. The offered system provides decrease of humidity of meat from 40 up to 6-10% and inactivation of microorganisms is 99.99% at the power of 20 KW generator, a thickness of a layer of meat 3cm and exposure of 30 seconds .Расчетная performance mouth-establishment on raw minced 145Kr/hour. Efficiency of process amounted to 70-80%. Device processing meat is protected by the patent № 2428038. Keywords: microwave field, waveguide Luggage, inactivation of microorganisms, drying, PA-giving power absorbed by the power of the microwave generator.
