CC BY
2УДК 664.8.022.1
К ВОПРОСУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СОВРЕМЕННОГО МОЛО-КОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Гербер Ю. Б., заместитель директора, доктор технических наук, профессор; Гаврилов А. В., кандидат технических наук, доцент;
Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского»
Проектирование современного перерабатывающего предприятия - первый и ответственный этап в создании цеха (завода) по переработке сельскохозяйственной продукции. От успешного его выполнения зависит эффективность и надежность работы создаваемого производственного участка. В полной мере это можно отнести к молочным предприятиям с учетом специфики молока как скоропортящегося продукта, большого объема тепловых процессов и энергетических затрат в линиях переработки молока, необходимости эффективной мойки технологического оборудования. В статье приведены основные принципы проектирования молочного предприятия, современные подходы к отдельным этапам проектирования, способы снижения энергетических затрат на производство молочных продуктов, а также технические и технологические решения, позволяющие производить безопасную, экологически чистую, конкурентоспособную продукцию.
THE QUESTION OF DESIGNING MODERN MILK PROCESSING PLANTS
Gerber Y. B., Doctor of Technical Sciences, Professor;
Gavrilov A. V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University»
The design of a modern processing plant is the first and important stage in the creation of a workshop (plant) for the processing of agricultural products. From its successful implementation depends on the efficiency and reliability of the created production site. This can be fully attributed to dairy enterprises, taking into account the specifics of milk -as a perishable product, a large volume of thermal processes and energy costs in milk processing lines, the need for effective washing of technological equipment. The article presents the basic principles of designing a dairy enterprise, modern approaches to individual stages of design, ways to reduce energy costs for the production of dairy products, as well as technical and technological solutions to produce safe, environmentally friendly, competitive products.
97
Ключевые слова: проектирование, комплексное энергозамещающее устройство, экологическая безопасность, интенсивность солнечного излучения, энергия, энергетические затраты.
Keywords: design, complex energy-substituting device, environmental safety, solar radiation intensity, energy, energy costs.
Введение. На кафедре технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства Академии биоресурсов и природопользования уже более пятнадцати лет функционирует учебно-технологическая лаборатория (цех) по переработке молока (УТЛ). Лаборатория одновременно является учебной базой для студентов направлений подготовки «Продукты питания животного происхождения», «Продукты питания из растительного сырья», действующей площадкой для проведения научных исследований по усовершенствованию технологии и снижению энергетических затрат, а также звеном учебно-научно-производственного животноводческого комплекса АБиП. Соединение в одном производственном комплексе животноводческой фермы и перерабатывающего участка дало возможность повысить рентабельность производства, снизить себестоимость молочной продукции, сохранить поголовье животных.
На базе УТЛ проводятся как практические занятия студентов всех форм обучения, так и подготовка профильных специалистов по программам дополнительного профессионального обучения с главной целью - показать и научить специалистов малых и средних аграрных предприятий возможности организации переработки произведенного молока в условиях предприятия. С точки зрения экономической обоснованности это может быть кооператив аграрных производителей для создания молочного цеха.
Материал и методы исследований. Первый этап создания цеха - проектирование. Чем отличается современное молокоперерабатывающее предприятие? Что подразумевается под понятием «современное производство»?
Основные принципы, на которых строится современное молочное предприятие, по мнению ведущих мировых компаний, следующие:
- строгое соответствие санитарно-гигиеническим требованиям;
- экологическая чистота и безопасность;
- энерго- и ресурсосбережение при реализации производственного процесса;
- гибкость технологических линий и процессов;
- безопасность производства;
- необходимая степень автоматизации процессов;
- современные комплектующие и материалы;
- конкурентоспособные технологии и получаемые продукты.
От того, насколько качественно и грамотно выполнен проект, какие включены комплектующие, оборудование, из каких материалов, с какой степенью надежности и экономичности, зависит стабильность и эффективность работы этого предприятия (цеха) в дальнейшем.
98
Соответствие предприятия или цеха санитарно-гигиеническим требованиям достигается, например, путем проектирования безразборной системы мойки (Cleaning In Place - станция CIP-мойки) при условии максимальной доступности для обработки всех линий и узлов. Для достижения показателей, которыми характеризуются ультрачистые и стерильные линии, используются системы очистки и стерилизации воздуха и воды. Для управления работы линий устанавливаются двухседельные несмешивающие клапаны с независимыми седлами, в которых предусмотрена возможность открытия седел независимо друг от друга для их промывки, что гарантирует требуемый уровень санитарно-гигиенических характеристик линии.
В CIP-мойках на линии возврата моющего раствора автоматически контролируются концентрация моющих средств и объем раствора, что позволяет значительно экономить расход моющих средств при каждом цикле мойки. В станцию CIP-мойки могут быть включены, кроме резервуаров с моющими растворами и чистой водой, резервуар для дополнительной санитарной обработки линии, в котором находится горячий водный раствор (с температурой 95 оС) дезинфицирующего вещества заданной концентрации, резервуар для возвратной воды, которую можно использовать повторно для ополаскивания, и резервуар для нейтрализации использованных моющих растворов.
Экологическая чистота и безопасность. Результаты анализов, которые поступают из многих регионов страны, свидетельствуют, что токсичные элементы выявляются более чем у 30 % исследуемых продуктов питания, а пестициды - в пределах 10 % исследуемых проб. Содержание в продовольственном сырье и продуктах питания наиболее токсичных элементов (Pb, Cd, Си, Zn, As, Hg) выявлено во многих областях. Активная антропогенная деятельность способствует созданию техногенных биогеохимических провинций с аномальным содержанием тяжелых металлов. Известно, что земли значительной части территории Украины, а также Республики Беларусь и Российской Федерации находятся под влиянием техногенных выбросов и природных аномалий и содержат высокие концентрации тяжелых металлов. Указанные вещества попадают в корм, а затем и в продукты животноводства. Это приводит к заболеваниям животных и людей, снижению иммунитета, сокращению продолжительности жизни. Существует немало защитных приемов в животноводстве, которые позволяют снизить содержание радионуклидов, в том числе и 137 Cs в молоке.
Заслуживают внимания также подходы, связанные с добавлением в рацион различных добавок, которые при поступлении кормов в желудочно-кишечный тракт блокируют всасывание радионуклидов в кровь путем конкурентного взаимодействия с ними, адсорбции, связывания. Учитывая вышеизложенное, развитие техники и технологий для производства и переработки молока в современных условиях должно быть направлено на создание специализированных предприятий в условиях АПК с учетом производства экологически чистых продуктов [9].
99
Ведущие мировые фирмы, проектируя линию, стремятся к максимально экономичному расходованию ресурсов предприятия.
Одним из наиболее актуальных направлений в этом отношении является сокращение энергопотребления путем замены традиционных энергоносителей (электроэнергии) на возобновляемые источники энергии, в частности солнечную, ветровую. В основном расход энергии в линиях переработки молока направлен на реализацию тепловых процессов: подогрев молока перед сепарированием - до 45 оС; подогрев перед гомогенизацией - 50-55 оС; пастеризацию -80-90 оС; подогрев и поддержание температуры в процессе сквашивания при производстве кисломолочных продуктов - 32-40 оС; а также охлаждение молочных продуктов - 4-6 оС. В целом, на осуществление тепловых процессов в линиях переработки молока затрачивается от 70 до 80 % всех энергозатрат в зависимости от особенностей технологии [1, 2, 3].
На кафедре технологий и оборудования производства и переработки продукции животноводства АБиП проводятся научные исследования с целью оптимизации тепловых процессов, а также сокращения расхода традиционного энергоносителя (электрической энергии) на реализацию тепловых процессов: осуществлен обзор и анализ способов снижения энергозатрат в процессе переработки молока, в особенности при длительных тепловых процессах производства кисломолочной группы продуктов, которые нуждаются в поддержании постоянных температур с узким диапазоном отклонения от нормы; предложено техническое решение - комплексное энергозамещающее устройство (КЭУ) -для частичной замены энергопотребления на возобновляемые источники энергии. Разработана программа исследований для измерения температурных параметров КЭУ в течение длительного времени:
- входа и выхода потоков воды в нижнем коллекторе;
- выхода потока воды из верхнего коллектора;
- слоя воды в верхней части бака-аккумулятора;
- температуры наружного воздуха;
- температуры на абсорбере коллектора под стеклом.
Для проведения исследований была разработана методика, отвечающая задачам программы, а также экспериментальная установка на базе комплексного энергозамещающего устройства. Методика исследования температурных параметров работы КЭУ во время первичной обработки молока базируется на системе измерения температуры на базе контроллера Д-ИТ-8ПТ-RST (рис. 1).
Система измерения включает в себя: 8 термопар типа К (кромель - алю-мель), изготовленных из провода диаметром 0,3 мм и покрытых кремний-органической электроизоляцией с неизолированной спайкой; контроллер Д-ИТ-8ПТ-RST; адаптер RS 485/^В; персональный компьютер и программное обеспечение для регистрации экспериментальных данных. Система обеспечивает измерение и регистрацию температуры в диапазоне 0-100 оС при максимальной частоте регистрации 0,1 Гц [9].
100
Рисунок 1. Общий вид системы замера температурных данных на КЭУ с помощью контролера Д-ИТ-8ПТ-RST
Для исключения влияния температуры окружающей среды на показатели работы системы датчики теплоизолированы и прикреплены к соответствующим трубопроводам КЭУ и бака-аккумулятора.
Результаты и обсуждение. Диаграмма измерения температурных данных на КЭУ для предварительного подогрева воды в бойлере представлена на рис. 2. На оси абсцисс диаграмм проставлены точки замера во времени. На оси ординат приведена температура нагрева в оС.
Рисунок 2. Диаграмма температурных параметров работы КЭУ в период 13-19 июня
Диаграмма представляет собой непрерывную круглосуточную запись всех температурных параметров КЭУ - от входа до выхода воды. Основными из них являются: температура воды на входе в нижний коллектор КЭУ (ряд 8), воды
101
на выходе из первого (ряд 4) и второго коллектора (ряд 3), в верхней части бака-аккумулятора (ряд 2), под стеклом на поверхности абсорбера (ряд 5) и температура внешней среды (ряд 6).
Анализируя диаграммы температурных параметров работы КЭУ в период с 13 по 19 июня, можно сказать, что в среднем необходимый температурный диапазон догрева составил 34 оС. Учитывая, что без КЭУ температурный диапазон нагрева воды от начальной температуры (15 оС) до конечной (85 оС) составляет 70 оС, выявили, что экономия электроэнергии за счет его сокращения до 36 оС составляет 4 кВт на каждые 100 л воды.
Также актуальным вопросом является снижение энергозатрат при охлаждении молока и молочных продуктов на различных участках технологии. В этом отношении одним из направлений совершенствования технологии является использование контура, где в качестве хладоносителя используется водопроводная вода (12-15 оС) с регулируемой скоростью потока, а требуемая температура этой воды достигается за счет включения в контур теплообменника с ледяной водой. Одним из вариантов является охлаждение в несколько этапов: вначале проточной водопроводной водой, затем ледяной водой до требуемой температуры охлаждения. Этот подход позволяет рационально использовать ледяную воду, следовательно, и электроэнергию [4].
Использование современных комплектующих и материалов гарантирует их длительный срок службы при отсутствии необходимости частого обслуживания.
Так, например, на линиях С1Р-мойки с агрессивными средами устанавливаются клапаны и вентили, имеющие внутри полимерные покрытия, на продуктовых линиях устанавливаются клапаны с высокой степенью полировки внутренней поверхности, что позволяет качественно промывать линию. Наиболее простой и распространенный вид клапана - дисковый в модифицированном виде, контролирующий перекрытие потока жидкости. Преимущество модифицированной конструкции заключается в том, что корпус клапанов имеет не цилиндрическую, а сферическую форму, обеспечивает оптимальное распределение нагрузки при прохождении потока, а также лучшую промываемость клапана.
Гибкость производственного процесса является важнейшим требованием. Позволяет максимально эффективно использовать имеющиеся мощности и варьировать ассортимент и график выработки продуктов в зависимости от запросов рынка. Гибкость обеспечивается установкой многофункциональных буферных резервуаров, которые могут быть использованы, например, для различных видов молока. При этом контроль параметров продукта в резервуаре, его заполнение и опорожнение отслеживаются автоматической системой управления линией. Гибкость производства также связана с установкой в клапанных гребенках двухседельных несмешивающих клапанов (о них сказано выше), через которые одновременно пропускают два потока. Кроме того, на гибкость производства положительно повлияет установка сепаратора-нормализатора, который в случае необходимости может использоваться многофункционально.
102
Немаловажный фактор - безопасность производства - также закладывается на стадии проектирования. Например, при проектировании пастеризатора по нормам US при помощи специального насоса автоматически контролируется давление, причем давление на продуктовой линии устанавливается выше, чем на линии тепло- и хладоагентов. Важно отметить, что даже при повреждении пластин пастеризатора молоко попадает в сервисные среды (проточная, ледяная вода), а не наоборот.
Безопасность является одним из критериев качества проекта при разработке схемы автоматизации производственных процессов. Каждому проекту требуется свой уровень автоматизации в зависимости от задач производства. В большинстве современных линий используется система централизованного компьютерного управления линией, позволяющая управлять всем процессом одному человеку, с контролем и возможностью коррекции всех параметров производства, с автоматической архивацией и анализом данных. Может также устанавливаться модем, что позволит проводить диагностику состояния линии непосредственно с завода компании-изготовителя.
Безусловно, важнейшим критерием уровня современного молочного предприятия является высокое качество сырья и готового продукта. Для корректировки качества сырья в современной молочной линии, в особенности для производства йогуртов, творогов, молочных десертов, должны быть установлены современные устройства, например ультразвуковой пастеризатор, деаэратор, а также другие устройства с минимальным механическим или термическим воздействием на продукт. Наиболее эффективно процесс деаэрации происходит при температуре 55-60 оС.
При нормализации молока в потоке контроль содержания жира можно осуществлять установкой на линии спектрометра, который обеспечивает заданный параметр с точностью до 0,03 %. Возможна также комбинация различных способов нормализации молока в одном проекте: автоматического, с использованием спектрометра, и ручного, с использованием жиромера.
Кроме того, важнейшим аспектом в рамках этого направления является оптимизация параметров работы оборудования, например пастеризатора, гомогенизатора [5, 6, 7, 8].
Выводы. Разумное сочетание всех указанных факторов даст возможность создания цеха молочных продуктов, в том числе в условиях агропредприятий, отвечающего современным требованиям высокоэффективного производства, с учетом особенностей конкретного региона и обеспечить не только сохранение, но и дальнейшее развитие молочного животноводства.
Список использованных источников: References:
1. Гербер Ю. Б., Гаврилов А. В., Вер- l.Gerber Yu. B.,Gavrilov A. V.,Ver-
бицкий А. П., Сироткина Э. М. Исполь- bitsky A. P., Sirotkina E. М. Use of a com-
зование комплексного энергозамеща- plex energy-substituting device for milk
103
ющего устройства для переработки молока // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. - Симферополь, 2016. - № 7 (170). - С. 52-59.
2. Гербер Ю. Б., Гаврилов А. В., Сироткина Э. М. Определение параметров перемешивающего устройства в емкости для сквашивания при комбинированном подводе тепла // Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинже-нерный университет им. В. П. Горяч-кина». - 2017. - № 4 (80). - С. 39-42.
3. Гербер Ю. Б., Гаврилов А. В., Киян Н. С. Использование комплексного энергозамещающего устройства в технологии производства функционального продукта «Ацидолакт» // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. - Симферополь, 2016. -№ 6 (169). С. - 60-66.
4. Гербер Ю. Б., Гаврилов А. В., Вербицкий А. П. Оптимизация тепловых процессов переработки молока / Научные труды Южного филиала Национального университета биоресурсов и природопользования Украины «Крымский агротехнологический университет». - Технические науки. Выпуск 156. - Симферополь: ЧП «Ариал», 2013. - С. 6-14.
5. Гербер Ю. Б., Гаврилов А. В. Определение параметров секции предварительного подогрева пастеризатора с использованием КЭУ // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. - Симферополь, 2016. - № 5 (168). - С. 56-61.
6. Гербер Ю. Б. Определение критерия пастеризации для пластинчатой установки с использованием комплекс-
processing // Proceedings of the agricultural science of Tavrida. Simferopol.
2016. № 7 (170). C. 52-59.
2. Gerber Yu. B., Gavrilov A. V, Si-rotkina E. M. Determination of the parameters of the mixing device in a tank for ripening with a combined heat supply // Vestnik of the Federal State Educational Institution of Higher Professional Education Moscow State Agroengineering University named after. V. P. Goryachkina. -
2017. № 4 (80). P. 39-42.
3. Gerber Yu. B., Gavrilov A. V., Ki-yan N. C. the use of complex energy-substituting device in the production technology of functional product «Acidolact» // proceedings of Transactions of Taurida Agricultural Science Simferopol. 2016. № 6 (169). P. 60-66.
4. Gerber Yu. B., Gavrilov A. V, Ver-bitsky A. P. Optimization of thermal processes of milk processing / Scientific works of the southern branch of the National University of bioresources and nature management of Ukraine «Crimean agro-technological University». - Technical science. Issue № 156. - Simferopol', 2016, P. 6-14. (In Rus.).
5. Gerber Yu. B., Gavrilov A. V. Determination of the parameters of the preheating section of the pasteurizer with the use of the CEM // News of the agricultural science of Tavrida. Simferopol. 2016. № 5 (168). P. 56-61.
6. Gerber Yu. B. Determination of the criterion for pasteurization for a plate-like plant using a complex energy-replacing device of a power plant // Vestnik of the Sumy National Agrarian University. Amounts. 2013. - № 10. P. 110-112.
7. Schlesser J., Armstrong D., Ci-nar A., Ramanauskas P., Negiz A. Auto-
104
ного энергозамещающего устройства КЭУ // Вестник Сумского национального аграрного университета. - Сумы, 2013. - № 10. - С. 110-112.
7. Schlesser J., Armstrong D., Cinar A., Ramanauskas P., Negiz A. Automated control and monitoring of thermal processing using high temperature, short time pasteurization // J. Dairy Sci. 1997. V. 80. № 10. - Р. 291-296.
8. Гербер Ю. Б., Дубровин В. А., Мельничук М. Д., Гаврилов А. В. и др. Машины и оборудование для переработки сельскохозяйственной продукции. -Симферополь: ДИАЙПИ, 2014. - 324 с.
9. Отчет о научно-исследовательской работе № 110/457-пр «Разработка энергосберегающих СР-технологий и технических средств переработки натурального молока на линиях малой мощности». - Симферополь, 2012. - 35 с.
mated control and monitoring of thermal processing using high temperature, short time pasteurization // J. Dairy Sci. 1997. V. 80. № 10. P. 291-296.
8. Gerber Yu. B., Dubrovin V. A., Melnichuk M. D., Gavrilov M. V., etc. Machinery and equipment for the processing of agricultural products. Simferopol: DJIPI, - 2014. - 324 p.
9. Report about research work № 110/457-pr. Development of energy-saving CP-technologies and technical means of processing of natural milk on low-power lines. - Simferopol, 2012. 35 p.
Сведения об авторах:
Гербер Юрий Борисович - доктор технических наук, профессор, заместитель директора Академии биоресурсов и природопользования по учебной работе, профессор кафедры технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства Академии биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», е-таЛ: gerber_1961@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского»;
Гаврилов Александр Викторович -кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии и оборудования производства и переработки продукции животноводства Академии
Information about the authors:
Gerber Yuriy Borisovych - Doctor of Engineerings Sciences, Professor, the deputy director of the Academy of Life and Environmental Sciences on educational work, Professor of department of technology and equipment of production and processing of products of stockraising Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», e-mail: gerber_1961@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal Uni-versity» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe;
Gavrilov Alexander Viktorovich -Candidate of Engineerings Sciences, Associate Professor, Associate Professor of de-
105
биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ имени В. И. Вернадского», заместитель декана факультета механизации производства и технологии переработки сельскохозяйственной продукции Академии биоресурсов и природопользования по учебной работе, е-тай: tehfac@mail.ru, 295492, п. Аграрное, Академия биоресурсов и природопользования ФГАОУ ВО «КФУ им. В. И. Вернадского».
partment of technology and equipment of production and processing of products of stock-raising Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University», deputy of dean of faculty of mechanization of production and technology of processing of agricultural produce of the Academy of Life and Environmental Sciences, e-mail: tehfac@mail.ru, Academy of Life and Environmental Sciences FSAEI HE «V. I. Vernadsky Crimean Federal University» 295492, Republic of Crimea, Simferopol, Agrarnoe.
106
