CC BY
18TECHNICAL SCIENCES
РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГИ ПИТНОГО МОЛОКА ЗА ВИКОРИСТАННЯ УЛЬТРАЗВУКО1
КАВ1ТАЦП
Берник 1.М.
Доцент, зав1дувач кафедри харчових технологт та мжробюлоги, к.т.н., Втницький нацюнальний аграрний унгверситет,
DEVELOPMENT OF DRINKING MILK TECHNOLOGY USING ULTRASOUND CAVITATION
Bernyk I.
Associate Professor
Head of Microbiology and Processing Technology Department, Ph.D.,
Vinnytsia National Agrarian University
АНОТАЦ1Я
У робот проведено аналiз технолопчних ршень для подовження термшв збер^ання рщких харчових продукпв. За результатами оцшки способiв та обладнання для подовження термшв зберiгання та шакти-вацп мiкрофлори запропоновано !х класифшацш в широкому спектрi характеристик, яш сьогоднi е техш-чно досяжними. Зазначено, що використання термiчноl обробки е найбiльш розповсюдженою та техшчно надiйною, при цьому вона призводить до попршення харчових та органолептичних властивостей отрима-них продуктiв. Розглянуто сутнiсть та особливостi використання таких фiзичних способiв обробки рiдких харчових продукпв, як електромагнiтним полем високо! та надвисоко! частоти, шфрачервоним випромь нюванням, високим тиском, iонiзуючих випромшювань, ультраф№трацп, безконтактного електричного об-роблення в потоцi.
Особлива увага присвячена оцiнцi використання ультразвукових коливань для обробки рвдинних те-хнологiчних середовищ. Розглянуто схему дИ акустичних коливань на хiмiко-технологiчну систему, зок-рема на фiзико-хiмiчнi ефекти та результати !х взаемодп. Зазначено, що поеднання рiзних фiзичних ефек-тiв, що одночасно впливають на середовища дозволяе запропонувати iншi пвдходи до реалiзацil техноло-гiчних процесiв, зокрема й з метою подовження термшв збер^ання.
У роботi проведено дослвдження впливу штенсивносп, тривалостi та температури ультразвуковое' обробки на зниження мшробно1 контамшацп молока, встановлено рацiональнi параметри обробки. Викона-ними експериментальними дослщженнями встановлено, що за дИ ультразвуковое' кавггацп на жирову ему-льсш спостерiгаеться ще один важливий ефект - гомогешза^ жирово1 фази. Встановлено, що рацюна-льнi параметри обробки процесу гомогешзацп узгоджуються зi значениями параметрiв бактерицидно1 ди.
Запропоновано технолопчну схему виробництва питного молока за використання ультразвукових ка-вiтацiйних технологш на стади пастеризаци та гомогешзацп. У порiвняннi з типовими вона мае низку пе-реваг: спрощення процесу, зниження температури, покращення якосп продукту та безпечнiсть виробниц-тва.
ABSTRACT
The analysis of technological solutions for prolonging the shelf life of liquid food products is carried out in the work. Based on the results of evaluation of methods and equipment for prolongation of storage and inactivation of microorganisms, their classification in a wide range of characteristics is proposed, which are technically achievable today. It is noted that the use of heat treatment is the most common and technically reliable, and it leads to deterioration of nutritional and organoleptic properties of the products. The essence and features of using such physical methods of processing liquid food products as electromagnetic field of high and ultrahigh frequency, infrared radiation, high pressure, ionizing radiation, ultrafiltration, contactless electric treatment in the flow are considered.
Particular attention is paid to the evaluation of the use of ultrasonic vibrations for the treatment of liquid process media. The scheme of action of acoustic oscillations on the chemical-technological system, in particular on physico-chemical effects and results of their interaction is considered. It is noted that the combination of different physical effects that simultaneously affect the environment allows us to offer other approaches to the implementation of technological processes, in particular to extend the shelf life.
The study of the influence of intensity, duration and temperature of ultrasonic treatment on the reduction of microbial contamination of milk, the rational parameters of processing are established. Experimental studies have shown that the action of ultrasonic cavitation on the fat emulsion has another important effect - the homogenization of the fat phase. It is established that the rational processing parameters of the homogenization process are consistent with the values of the bactericidal action parameters.
The technological scheme of drinking milk production with the use of ultrasonic cavitation technologies at the stage of pasteurization and homogenization is offered. Compared to typical ones, it has a number of advantages: simplification of the process, lowering of temperature, improvement of product quality and safety of production.
Ключовi слова: ультразвук, кавггащя, яшсть продукту, гомогешзащя, бактерицидна дiя, фiзичнi спо-соби, подовження термiнiв зберiгaння, мiкробнa контaмiнaцiя, молоко, технолопя.
Keywords: ultrasound, cavitation, product quality, homogenization, bactericidal action, physical methods, prolongation of shelf life, microbial contamination, milk, technology.
Постановка проблеми. Основним завданням вичизняно! харчово! та переробно! промисловостi е забезпечення населения Укра!ни продуктами хар-чування високо! якостi та !х конкурентоспроможно-стi на зовнiшньому ринку. Виршення знаходиться в площинi розробки нових технологш, вдоскона-лення технологiчних процеав та апаратiв, перехо-дiв на новi екологiчно чистi технологи та широке використання досягнень науки i технiки у виробни-цтвах. Серед харчових продукпв значне мiсце на-лежить рвдким, зокрема: молоку, безалкогольним напоям, пиву, сокам, екстрактам, натуральним винам тощо.
Вiдомi технологи подовження термiнiв зберь гання цих продуктiв базуються на термiчному об-робленнi (пастеризацiя та стерилiзацiя). При цьому харчовi та органолептичш властивостi !х суттево попршуються внаслiдок денатурацп бiлкiв, руйну-вання ферментно-вiтамiнного комплексу та iнших. Перспективним напрямом шдвищення термiнiв зберiгання цих продукпв е застосування фiзичних методiв обробки, зокрема використання ультразву-кових кавггацшних технологiй.
Основними перевагами ультразвуку е:
- iнактивацiя мжрофлори при низьких температурах, що забезпечуе повне збереження харчо-вих та смакових властивостей продуктiв;
- ушверсальнють, яка дозволяе застосовувати !х в рiзних технологiчних процесах;
- еколопчна безпека за рахунок виключення
використання тепла i хiмiчних консервантiв.
Аналiз досл1джень та публiкацiй. З метою подовження термшв зберiгання в харчовш проми-словостi використовують рiзнi способи обробки [1].
Найб№ш широко в технолопчнш практицi ви-користовуеться вплив на бактерп високих температур протягом визначеного часу.
На вибiр режиму обробки продукпв вплива-ють так1 фактори:
1. Вмют жиру який утворюе навколо бактерiй жирову капсулу, що зменшуе ефективнiсть ди тепла. Тому зi збiльшенням вмiсту жиру в продуктах використовуеться бшьш жорсткий режим обробки.
2. Кислотнють середовища. У кислому середо-вищi мiкроорганiзми гинуть швидше. Найбiльшi бактерициднi властивостi притаманнi молочнiй ки-слотi, менший ефект у присутносп оцтово! i лимон-но! кислот.
3. Вмют солi, у присутностi яко! процес стери-лiзацu ввдбуваеться бiльш ефективно.
4. Вмют повпря, у присутносп якого стшшсть мiкробiв пiдвищуеться.
Лггературш данi за цим питанням найчастше суперечливi [2-4], узагальнення даних у виглядi графiка залежностi мiж температурою та триваль стю теплово! обробки представлено на рис. 1. Для порiвняння також представленi вiдповiднi кривi для руйнування ферментiв та фiзико-хiмiчних властивостей продуктiв.
Рис. 1. Графжреж-UMie тепловоХ обробки (1 - крива загибелi дифтертноХ палички; 2 - загибель тифозно'1 палички; 3 - загибель туберкульозно'1 палички; 4 - руйнування ферментiв; 5 - змiна фiзико-хiмiчних якостей)
Грaфiчнi залежносп описують емтричною за-лежшстю тривалосп процесу Т вiд його темпера-тури t виду:
ln т = а~Р t, (1)
де X i Р - чисельш коефiцieнти, що пiдлягa-ють експериментальному визначенню.
Тодi умова досягнення заданого ефекту тепло-во1 обробки мае вигляд:
0 = т , (2)
де т- дiйсний час впливу на технолопчне сере-довище.
За умов 0>т можуть виникнути небaжaнi змiни властивостей продукту, за умов 0<т ефект пастери-зaцiï не буде досягнутий.
Оцшку ефективносп процесу теплово1 обробки проводить шляхом визначення коефщенту швидкостi загибелi мiкроорганiзмiв С:
с=iinN. о)
в NK (3)
де No- початковий вмют бактерiй в одиницi об'ему продукту, м-3; NK- кiнцевий вмiст бактерш
_3
пiсля пастеризаци,м3.
Використання, даного критерш обумовлено реальними умовами пов'язаними з властивостями технологiчного середовища та наявно1 к мжроф-лори.
До недолЫв теплово1 обробки можна вiднести високi питомi енерговитрати на одиницю продукций, не рiвномiрнiсть нагрiву продукту в об'eмi, складшсть конструкцп i незручнiсть технiчного об-
слуговування установок.
Попри найбiльше застосування теплово1 обробки з метою шактивацп мiкрофлори на сьогодшш-нш день вiдома також цiла низка шших альтернати-вних способiв обробки.
Аналiз способiв та обладнання для подовження термшв зберiгання та шактивацп мшроф-лори дав можливють виконати ïx класифiкацiю в широкому спек^ характеристик, якi сьогоднi е теxнiчно досяжними (рис. 2) [1].
Розглянемо бшьш детально фiзичнi способи тдвищення термiнiв зберiгання рiдкиx харчових продукпв.
Обробка електромагнтним полем високо'1 та надвисоко'1 частоти. Електромагштне поле являе собою особливий вид матери, що виявляе силовий вплив на заряджеш частинки, i визначаеться як су-купнiсть змiнниx взаемозалежних, електричного i магнiтного полiв, що впливають один на одного.
Рис. 2. Ф1зичн1 способи тдвищення термжв зберггання р1дких харчових продуктгв
Електромагштне поле характеризуемся дов-жиною xвилi, м або частотою коливання f, Гц. 1нте-рвал довжин радiоxвиль становить ввд мiлiметрiв до десяткiв кiлометрiв, що вiдповiдае частотами коливань в дiапазонi вiд 3х104 Гц до 3x10 Гц . 1нтенси-вшсть електромагнiтного поля в будь_якш точцi
простору залежить вiд потужносп генаратора i вщ-станi вщ нього. Джерелами електромагнiтниx полiв е НВЧ_пристрог
НВЧ-пристроï широко застосовуються у ядер-нiй фiзицi для розганяння елементарних частинок до швидкостей, близьких до швидкосп свiтла, за
допомогою електромаптних полiв хвилеводiв. Ши-роке застосування знаходить НВЧ-на^вання у ха-рчовiй промисловостi з метою прискореного готу-вання !ж1, пастеризаци, стерилiзацu та зневоднення харчових продукпв.
Особливо широке застосування останшм часом мають хвилi НВЧ-дiапазону для стерилiзацu харчових середовищ. Така теплова обробка виробiв здiйснюеться в спещальних високочастотних пастеризаторах. В активнш зонi НВЧ-пастеризатора, завдяки високш концентраци енерги електромагш-тного поля 800-1000 Вт/см3 темп на^вання стано-вить 200-400°С за секунду i бiльше, достатнiй час витримки становить 0,05-0,08 секунди, при цьому середня температура рщини не перевищуе 65°С. Цей режим забезпечуе 99,9 % знищення бактерiй i шшо! мжрофлори, залишаючи неушкодженими ва-жливi компоненти продукту [6].
Незважаючи на суб'ективш причини, через якi НВЧ-пастеризаця (стерилiзацiя) не набула широкого застосування, защкавлешсть у розвитку цього напряму дослвджень не зникае. Пояснюеться це мо-жливiстю створити в НВЧ-пристроях енергетич-ний режим, який неможливий у традицiйних тепло-вих пастеризаторах, тобто забезпечити високу кон-центрацш енерги в малих об'емах i надзвичайно короткий час ди на об'ект [7]. Крiм того, вплив НВЧ-енерги на мiкроорганiзми мае особливу спе-цифiку, яка полягае в розiгрiваннi мiкроорганiзму з середини i одночаснш силовiй дИ на клiтиннi мем-брани i на весь оргашзм, що, в результатi, приводить до його швидкого руйнування. Що вища концентрация енерги, то швидше руйнуються i гинуть мжрооргашзми.
Особливiстю теплово! обробки в електрич-ному полi надвисоко! частоти е про^в харчових продуктiв одночасно по всьому об,емi (об'емний прогрiв), надзвичайно короткий час ди на продукт, сильна бактерицидна дiя, рiвномiрне видшення тепла, але порiвняннi iз традицiйним тепловим облад-нанням, НВЧ установки в^^зняються шдвищеною складшстю, що i е суттевим недолiком.
Таким чином, застосування НВЧ-на^ву до-зволяе: прискорити процес теплово! обробки; по-лшшити якiсть i збiльшити вихiд готово! продукци; збiльшити потужнiсть i полiпшити саштарно-ппе-нiчнi умови пiдприемств; полегшити працю праць вник1в виробництва.
1нфрачервоне (1Ч) випромгнювання. 1нфрачер-воне випромшювання - електромагнiтне випромь нювання, що займае спектральну область мiж чер-воним кiнцем видимого свiтла (з довжиною хвилi Х=0,74 мкм) i мiкрохвильовим випромiнюванням (X ~ 1-2 мм).
Зараз весь дiапазон шфрачервоного випромь нювання дiлять на двi складових:
- короткохвильова область: X = 0,74-2,5 мкм;
- середньохвильова область: X = 2,5-50 мкм;
1нфрачервоне випромшювання також назива-
ють "тепловим" випромiнюванням, так як шфраче-рвоне випромiнювання ввд нагрiтих предмепв сприймаеться шкурою людини як ввдчуття тепла.
При цьому довжини хвиль, що випромiнюються Ti-лом, залежать в1д температури на^вання: чим вище температура, тим коротше довжина хвилi i вище штенсившсть випромiнювання [8].
Нагрiвання iнфрачервоним випромшюванням здiйснюeться наступним чином. Джерело або 1Ч-випромiнюванням нагрiваeгься в1д звичайних дже-рел (наприклад, електричною енерпею для свiтлих випромiнювачiв i тенш, енергieю згорання газу для газових пальнишв i так далi. Електромагштне випро-мiнювання спрямованим потоком опромшюе оброб-люваний продукт.
При згткненш квангiв випромiнювання з елект-ронами в молекулi продукту вони передають всю свою енерг1ю електронам, яш внаслiдок цього пере-ходять в збуджений стан i потiм повертаються на ос-новну орбiту, втрачаючи при цьому надлишок енер-гл у виглядi тепла, в результат! чого ввдбуваеться на-грiвання продукту [9].
Застосування 1Ч-на^вання дозволяе значно скоротити тривалють процесу теплово! обробки, зменшити металоемнiсть i розмiри апарапв, автома-тизувати виробництво, отримати продукт високо! якостi. 1нфрачервоне (1Ч) випромшювання знайшло досить широке застосування в рiзних галузях хар-чово! промисловостг Необх1дно зазначити, що практично у вах випадках 1Ч-обробки спостерiга-еться тдвищення якостi i виходу готово! продукци, зниження енергетичних витрат, спрощення конс-трукцп апаратури.
Окрiм цього, 1Ч-випромшювання чинить на продукти специфiчний вплив (бактерицидний, ка-талiтичний), завдяки чому можна гарантувати без-пеку та висок1 споживчi властивостi готово! продукци.
Перевагами цього способу е зниження енерге-тичних витрат, спрощення конструкцi! апаратури, мала металоемшсть i розмiри апаратiв, висока як-iсть продукцi!. Недолiками - мала глибина проник-нення,несприятлива глибина проникнення 1Ч - про-менiв.
Високий тиск. В остант десятилiгтя, альтернатива технологиям обробки продуктiв, пропонуеться до розгляду нова харчова технология, принцип яко! заснований на впливi високого тиску (ВТ) на харчовi продукти [10]. Обробка харчового продукту ввдбу-ваеться рiвномiрно по всьому об'ему завантаження. За необхiдностi можлива змiна температури. Вико-ристання високого тиску призводить до iнактивацi! мiкроорганiзмiв i ензимiв, при цьому зберпаеться запах, смак. Процес обробки високим тиском мае ни-зьк1 витрати води. Мехашзм впливу високого тиску на м^ооргашзми ще не до к1нця вивчений. Але вь домо, що тиск у кшька сотень МПа стимулюе в бiо-системах реакцi!, що пропкають зi зменшенням !х об'ему. Реакщя бiлкових молекул на тиск зазвичай пов'язують з особливостями пдрофобно! взаемодi!, тодi як iнактивацiя ферменпв пояснюеться конфор-мацiйними змiнами в !х молекулярнiй структурi [11].
Одш з перших повiдомлень про обробку сокiв ВТ i можливостi використання цiе! технологi!' в промисловостi були приведет в роботах японських авторiв. Вони пов1домили, що обробка ВТ може
creprai3yBara соки, отримаш з pi3Hm фрукпв i ци-труав, без помiтних змш в !х поживностi, натурального аромату i смаку. У Япони, KpiM того, в про-мислових масштабах виробляють мандариновий ciK, який з метою збшьшення перiодy зберiгання (тривалiстю до 6 мшмальних термiнiв) обробляють тиском в 400 МПа за температури 20-25°С. Дана обробка збiльшye варпсть одного лiтра соку на 8090 ieн, в той час як варпсть установки для обробки тиском приблизно дорiвнюe тiй, що використовуе метод пастеризацп [12]. Продуктившсть установки складае 4 т/добу за встановлено! потyжностi 220 кВт.
У £врош запатентований японський спосiб стерилiзацü' фруктових сокiв та iншиx кислотовмь сних напо!в ВТ (при 200-600 МПа в перюд 10-30 хв.). Контроль персикового i гранатового сошв про-тягом 5 рокiв тсля дп ВТ був здiйснений групою голландських дослiдникiв. Стабiльнiсть продyктiв забезпечувалася загибеллю мiкроорганiзмiв, дрiж-джових клггин i молочнокислих бактерiй, якi були найбiльш чyтливi до ВТ, а низький рН пригнiчyвав розвиток спор. Приклади надшно! стерилiзацii апельсинового i ананасового сокiв ВТ дали привад про-мисловцям-харчовикам звернути серйозний вплив на цей метод консервування [13].
Одш з перших установок нового поколшня для вивчення поведiнки рiзниx бiоматерiалiв при тисках 100-1000 МПа з великими об'емами робочих камер (у фiзицi використовуються камери з об'емами на порядок менше, але працюють при бшьш високих тисках) були сконструйоваш в минулому десятилiттi. Серед них першi констрyктивнi розро-бки вже стали класичними: «Standart for Treatment of Microbial Cultures»; «Stands for Treatment of Food Samples»; «High Pressure Food Processor»; «Gas Pressure Cells» [14].
Широке застосування методу стримуеться ви-сокою варпстю обладнання, складнiстю конструк-цш, але бшьш висока якiсть продyктiв робить цей метод перспективним.
Padia^üHe (ютзуюче) випромтювання. Ввдомо багато типiв радiацiйниx (iонiзyючиx) випромшю-вань, але бiльшiсть з них не можна застосовувати для обробки харчових продукпв. Для цiеi мети викорис-товують тiльки рентгенiвське i y-випромiнювання та потiк прискорених електрошв. Рентгенiвськi та y-ви-промiнювання мають електромагнiтнy хвильову природу [15]. Вони, вшьно проникаючи через багато речовин (дерево, металевi пластинки, живу тканину), викликають iонiзацiю, тобто процес, при якому з нейтральних молекул i атомiв речовини ут-ворюються юни (позитивно i негативно заряджеш частки).
y-випромiнювання найбiльш широко застосо-вуеться в практицi променево! обробки самих рiзниx харчових продyктiв. Це пояснюеться тим, що дже-рела y-випромшювання порiвняно дешевi. В якосп джерел y-випромiнювання найчастiше використову-ють препарати Со60.Велика проникаюча здатнiсть y-випромiнювання дозволяе обробляти продукти вели-
кого po3MÍpy i у великш упаковцi. Енерпя y-випромь нювання ввд Со60 знаходиться в межах, при яких не виникае наведено! радюактивносп в опромiнених продуктах, тобто продукт не стае радюактивним.
Застосування ютзуючих випромiнювань вщк-ривае новi можливосп збереження харчових проду-ктiв, так як при цьому не ввдбуваеться iстотне пщви-щення температури. Це положення дае можливiсть вирiшити по-новому питання упаковки, використо-вуючи для м'ясних продyктiв полiмернi матерiали. Однак, проблемою при використаннi iонiзyючих ви-промiнювань е запобiгання самого продукту ввд впливу тих доз радацл, якi потрiбнi для знищення мiкроорганiзмiв [16]. На жири, сyшенi продукти ю-нiзyючi випромiнювання надають пряму дш, яке i е основною причиною вах змiн. На м'ясо та iншi продукти, що мютять велику кiлькiсть води, iонiзyючi випромiнювання надають в основному непряму дiю. Це пов'язано з тим, що пвд дiею iонiзyючоi радiацii змiнам пiддаеться в першу чергу вода. Вiдбyваеться радiолiз води утворення вiльних радикалiв, якi мають велик реакцiйнi можностi. Вони можуть з'едну-ватися не тiльки один з одним, але i легко реагувати з розчиненими у водi речовинами, утворюючи рiзнi особистi з'еднання. При використаннi iонiзyючих ви-промшювань для обробки будь-яких об'ектiв вирь шальне значения мае точне визначення кiлькостi ю-нiзyючого випромiнювання, яке поглинаеться речо-виною, тобто поглинено! дози.
Однiею з вiдмiнностей променево! стерилiзацii' вiд термiчноi являться те, що мiж опромiненням продукпв, абсолютно смертельним для мiкрооргаиiзмiв, i загибеллю останшх проходить промiжок часу, про-тягом якого ще тривають процеси обмiнy речовин в мшробних клiтинах. Вiдмираиия мiкрооргаиiзмiв т-сля опромшення абсолютно смертельними дозами може тривати протягом декiлькох десяткiв годин.
У зв'язку зi специфiчнiстю до iонiзyючих ви-промiиюваиь на мшрофлору групою фахiвцiв Mi^ народного агентства з використання атомно! енергй' розроблена спещальна термiнологiя. Промислове консервyваиия за допомогою юшзуючих випромь нювань запропоновано називати радiацiйною аппер-тiзацiею (за iм'ям Аппера, який запропонував теп-лову стерилiзацiю). Обробку, достатню лише для продовження тривалостi зберiгаиня, запропоновано називати радyрiзацiею (radiare - випромшювати i durare - продовжувати) зашсть термiнiв «променева пастеризацiя», «опромiнения нестершзуючими дозами». Крiм того, запропонований термiн радiсiдацiя (radiare - випромшювати i ocsidere - вбивати), приз-начений для позначення обробки ютзуючими ви-промiиюваииями, що забезпечують придушення пе-вних небажаних мiкрооргаиiзмiв або найпроспших оргаиiзмiв, наприклад, сальмонел, трихшела.
У резyльтатi впливу iонiзyючого випромшю-вання в живих клiтинах виникають рiзномаиiтнi па-тологiчнi змiни, призводять до порушення нормаль-них бiохiмiчних, фiзiологiчних та iнших процесiв. ,Щя iонiзyючих випромiнюваиь на мiкрооргаиiзми залежить вiд парцiального тиску кисню, вмюту води в продyктi, наявностi в середовищi «захисних» речовин, таких як деяк амiнокислоти, органiчнi кислоти,
альдепди, спирти та ш. Мае також значення фiзiоло-пчний стан мiкроорганiзмiв в момент опромшення.
Мiкроорганiзми, що знаходяться в буферному розчит, як правило, менш стшш до опромiнення, шж в середовищах, що мiстять у своему складi глюкозу, амiнокислоти та iншi сполуки, володшчи захи-сними властивостями.
Бiологiчна д1я випромiнювання залежить не тшьки ввд величини, але i ввд потужносп дози. Характерною особливiстю до iонiзуючого випромшю-вання е велика рiзниця в дозах, потрiбних для припи-нення життедiяльностi 50 i 100% мiкроорганiзмiв. Якщо в першому випадку потрiбно калька сотень Дж/кг, то в другому - необхвдна доза становить (1,54,5) 101 Дж/кг.
Спори бактерш дуже стшш до опромшення, тому для зниження дози опромшення бажано зни-зити !х радiостiйкiсть. Це досягаеться комбшованим впливом нагрiвання або антибiотикiв i iонiзуючого опромiнення. Попередня теплова обробка бшьш ефективна, шж теплова обробка, використана пiсля опромiнення. Щд дiею iонiзуючих випромiнювань структурнi елементи клпин змiнюються, головним чином ядро, що призводить до зниження !х фiзiоло-пчно! активностi i порушення функцш розмножу-вання.
Перевагою радiацiйних випромшювань е ви-сока як1сть процесу, але вагомим недолiком е наяв-нiсть токсичних продуктiв i ускладнення обробки непрозорих та в'язких середовищ.
Ультрафшьтрування. Застосування мехашч-но! стерилiзацil - ультрафшьтрацп дае можливють перевести технологiчнi схеми очищення, переробки та збереження коло!дних i макромолекулярних роз-чинiв на як1сно новий техшчний i технологiчний рь вень [17]. У процеа ультрафшьтрацп за рахунок перепаду тиску з рвдини вiддiляються частинки мало! молекулярно! масою. Це властивiсть сприяе ввдо-кремленню дрiбних бiологiчних структур, в тому чи^ i мiкроорганiзмiв.
Ультрафшьтращя мiкроорганiзмiв пов'язана не тiльки з процесом !х фiльтрування, а i з процесом адсорбцп на мембранному фттрг В даний час для мехашчно! стерилiзацu шляхом ультрафшьтрацп застосовують фшьтри "Владшор" типу МФА-А, МФА-МА, МФЦ, фшьтрувальш елементи яких ви-готовленi на основi ацетатiв целюлози мембрани з капрону М1Ф1Л 1-2-0,2, фшьтрувальш мембрани типу SWP, HAWP , DAWP, МПИрог (США) та ш [19].
За такого способу обробки зберiгаеться смак, вiтамiни i аромат продукту. Недолiком цього методу е складшсть обладнання i трудомiсткiсть його
експлуатацп; невеликий термш служби мембран внаслвдок утворення осаду в порах i на !х поверхнi; висока чутливють до змiни зовнiшнiх умов: через досить високих температур i тиску мембрана може стискуватися i сповшьнювати процес фiльтру-вання; матерiал фшьтру повинен бути бiологiчно iнертним, з низьким вмiстом компонентiв, як1 мо-жуть переходити в розчин.
Безконтактне високовольтне електричне об-роблення. Споаб безконтактного електричного об-роблення редких харчових продуктiв в потощ. Вiн базуеться на впливi електричного поля на поверх-невий заряд мiкроорганiзмiв.
При безконтактному обробленi неф№трова-ного пива, спостерiгався ефект зб№шення коагуля-цi! коло!дних частинок та дрiжджiв в 1,5_2 рази, очевидно, за рахунок електроповерхневих явищ з частковим руйнуванням подвiйного електричного шару, внаслвдок чого швидк1сть фiльтрацi! пива збь льшувалась в 1,5 рази [20]. Змш фiзико-хiмiчних та органолептичних властивостей пива не вщбува-лося.
Ультразвуковi кавiтацiйнi технологи. Ультра-звуковi коливання - це пружш, механiчнi коли-вання з частотою вище порога чутносп людського вуха (бiльше 20 кГц або 20000 коливань в секунду), що поширюються в рiзних матерiальних середовищах i використовуванi для впливiв на рiдкi, твердi i газоподiбнi речовини [21].
Акустичне поле створюе направлену дiю пру-жних коливань на технологiчне середовище, яш спричиняють фiзико-хiмiчнi ефекти (рис. 3).
Найб№ш успiшне використання ультразвуку пов'язане з обробкою рщинних середовищ, оскь льки саме в них виникае явище - ультразвуково! ка-вiтацi!, що е ефективним мехашзмом концентрацi! енергi! звуково! хвилi низько! щiльностi у високу щiльнiсть енерги, яка зумовлена пульсацiями та за-хлопуванням кавiтацiйних бульбашок [22-24].
Кавгтащя, тобто розрив р1дини, е результатом змшного тиску в об'емi, що створюе джерело ульт-развукових коливань. Утворення кавгтацшних бульбашок ввдбуваеться у фазi розр1дження за наявно-стi зародк1в кавiтацi! (нерозчиннi гази, незмочу-ваннi твердi частинки, парогазовi бульбашки) [2528]. Захлопування !х в1дбуваеться у фазi стиснення. При цьому пара конденсуеться, а газ зазнае сильного адiабатичного стиснення. Пульсацi! кавiтацiй-них бульбашок та !х захлопування створюють у мь крооб'емах iнтенсивнi мшротечи, ударнi хвилi, ку-мулятивнi струмеш та локальнi температури.
Ультрaзвуковi коливання
Фiзико-хiмiчнi ефекти
Взаемоди Результат дГГ
кав1тац1я
резонанс
акустична турбулентшсть
механнш
теплов!
Х1М1ЧН1
пульсаци тиску
трансформащя енергп
кумулятивнии удар
Рис. 3. Схема дИ акустичних коливань на х1м1ко-технолог1чну систему
Поеднання настшьки рiзних фiзичних ефектiв, впливають одночасно на оброблюванi середовища дозволяе шщшвати невiдомi ранiше процеси, що призводять до отримання нових речовин i компози-цiй , а також додавання вiдомим речовинам нових ушкальних властивостей .
Механiзм стерилiзуючого дп ультразвуку дуже складний i розкритий не повнiстю [29-31]. Доведено, що основним факторомвпливу е каштащя.
При стерилiзацil рiзних редких середовищ ультразвуком необхвдно враховувати наступне:
И бактерицидна дiя ультразвуку залежить ввд стану середовища i його складу, а також ввд почат-ково! кiлькостi мiкроорганiзмiв.
И за ультразвуково! обробки в першу чергу гинуть цвiлi, потiм дажджц слизоутворючi i в останню чергу спороносш бактерп.
И руйнуються кишкова, дифтершна, сiнна палички, бацили дизентерп, правця, сальмонели, коки, гонококи, збудник паратифу, тифу та ш.
И з патогенних мiкроорганiзмiв найбiльшу стшшсть проявляють штами туберкульозних пали-чок.
На шдстаы викладеного можна вважати, що за
використання ультразвукових технологш стериль зацiю можна проводити значно швидше, шж зви-чайними способами, з меншими енергетичними ви-тратами, збериаючи бiологiчно активнi речовини, ферменти, вггамши.
Мета дослiдження. Метою дослiдження е ро-зроблення технологи для виробництва питного молока на основi експериментальних дослвджень впливу ультразвуку на процеси шактиваци мшроф-лори та гомогешзаци жирово! емульси.
Виклад основного матерiалу.
Для дослвджень використовували молоко, яке ввдповщало ДСТУ 3662:2018 «Молоко-сировина коров'яче. Технiчнi умови» [32]. Молоко було на-туральним незбираним, чистим, без стороншх, не властивих св1жому молоку присмакiв i запахiв. За зовшшшм виглядом та консистенцiею - однородна родина ввд бiлого до ясно-жовтого кольору, без осаду та згустшв.
Було проведено серiю дослщв з визначення рацiональних параметрiв обробки молока з метою дезактиваци мжрофлори, зокрема розглянуто вплив наступних показнишв - iнтенсивностi, трива-лостi та температури обробки, (рис. 4 - 6).
Рис. 4. Визначення бактерицидноï diïультразвуку в залежностi eid napaMempie ультразвукового поля
Рис. 5. Залежтсть юлькост\ мiкpооpгaнiзмiву молоцi в зaлeжносmi вiд часу обробки (при 1=20 Вт/см2 та t=40°C)
Рис. 6. Залежшсть тлькост\ мiкpооpгaнiзмiв у молоц в зaлeжносmi вiд температури обробки
(1=20 Вт/см2 та t=400C)
Таким чином, ввдповвдно до отриманих експе-риментальних даних можна рекомендувати наступи параметри технолопчного процесу пастеризаци молока за використання ультразвукових коливань:
- тривалють обробки - 8 хв.,
- штенсивнють ультразвуку - 20 Вт/см2 ,
- температура обробки - 1=40°С.
Також за тако! обробки молока спостерпаеться ще один важливий позитивний ефект - гомогешза-цiя жирово! фази.
У молоцi жир розподвдений у виглядi жирових кульок, оточених складно! бiлковою оболонкою, тобто являе собою емульсш молочного жиру у водi [33]. Розмiр жирових кульок коливаеться ввд 1 до 5 мкм. Причому, кiлькiсть жирових кульок, що ма-ють розмiр бвдьше 2 мкм, складае бiльше 50% i за-лежить вiд породи та iндивiдуальних особливостей тварин.
Поживна цшшсть молока в значнiй мiрi визна-
чаеться розмiрами частинок жиру в молощ. Як вь домо, надтонке дробления жиру в емульсiях дуже сильно змiнюе властивостi вихiдного продукту.
Бвдьше 100 рошв в промисловосп використо-вуються плунжернi гомогенiзатори, конструктивно представляють собою насоси високого тиску з до-датковим невеликим пристроем на виходг У 1960-х рр. був запропонований ще один тип гомогешза-тора, в основi роботи якого застосований iнший принцип - замша мехашчного продавлювання на ультразвуковi коливання. Незважаючи на сприят-ливi результати дослвджень в 1960-1970-х рр. про-мислового впровадження ця техиологiя не отри-мала. Самим слабкою ланкою виявилася надiйнiсть роботи, так як рiвень iде! набагато випередив еле-ментну базу генераторiв коливань i робочих оргаиiв ново! технiки.
Закономiрно виникае питання: чому, власне кажучи, треба щось змiнювати? Тому, що металое-мнiсть i енерговитратнiсть традицшного процесу
гомогешзацп великi, а результати не зовсш ввдпо-вiдають сучасним вимогам до процесу i продукци.
Так, традицiйнi методи гомогешзацп призво-дять поряд з руйнуванням жирових кульок i до змiни !х структури, до пiдвищення активностi фер-ментiв, зниження стабiльностi бiлкiв i вмiсту казе-!ну в плазмi [34]. На противагу цьому, час дозрь вання сирiв з високим рiвнем молочнокислого бро-дiння, що виготовляються з молока, що пройшов ультразвукову гомогенiзацiю, скорочуеться з 30 дiб до 20, що дозволяе знизити енергетичш витрати, а
також заощадити допомiжнi матерiали, що йдуть на виробництво сиру.
В робот проведено дослвдження рiвня ефекти-вносл ультразвуково! гомогешзацп молока, результати представленш на рис. 7 - 9.
Дослвдження рацiональних параметрiв реалiза-цп ультразвуково! дi! на жирову фазу молока проводили по визначенню значень штенсивносп та тривалосп обробки, температури на кiлькiсть кульок дiаметром менше 2 мкм в емульсi!.
20 30 (Вт/сн1 Рис. 7. Вплив ттенсивностI ультразвуку на ефе-ктиетстъ гомогетзацп
Рис. 8. Вплив тривалостг обробки ультразвуком на ефеюпивтстъ гомогетзацп
20 30 СО 50 60 70 К Г Рис. 9. Вплив температури обробки на ефективтсть ультразвуково! гомоген!зацИ
Як випливае з наведених експериментальних даних, оптимальш параметри обробки для реалiза-ци гомогешзацп узгоджуються зi значениями пара-метрiв бактерицидно! дi!, зокрема:
- Тривалкть обробки - 8-10 хв.,
- 1нтенсившсть ультразвуку - 15 - 20 Вт/см2
- Температура обробки - 1=40 - 45 0С.
Типовий технолопчний процес виробництва
уах видiв питного молока складаеться з наступних операцiй: приймання i подготовка сировини, очи-щення, нормалiзацiя (при виробнищга нормал1зо-ваного молока), складання сумiшi (для десертних видiв молока з харчовими добавками), гомогешза-щя, пастеризацiя i охолодження, вiтамiнiзацiя (при виробницта вiтамiзованного молока), розливання,
пакування, маркування, зберiгания й транспорту-вання [35].
Зпдно проведених експериментальних досль джень запропонована техиологiя отримае певш змiни, зокрема:
1. оск1льки ультразвукова пастеризацiя ввд-носиться до «холодно! пастеризаци», що також було пвдтверджено дослiджениями (встановлено температура процесу - 400С) у схемi вiдсутнi опе-рацi! - пiдiгрiваиня молока до пастеризаци та охо-лодження молока шсля пастеризацi!;
2. об'еднання процеав пастеризацi! та гомо-генiзацi! молока (встановлено, що параметри цих процеав за ультразвуково! дп ствпадають).
Принципова технолопчна схема виробництва пастеризованого молока представлена на рис. 10.
Рис. 10. Принципова технологгчна схема виробництва пастеризованого молока
Висновки.
1. Серед фiзичних методiв знезараження харчових середовищ набули використання: теплова об-робка, надвисокий тиск, ультразвук, ультрафюле-тове та шфрачервоне опромiнення, електричнi та магнiтнi поля, радiацiйне випромiнюваиия, НВЧ-випромiнюваиня, ультразвук. Застосування зазна-чених фiзичних способiв в харчовiй промисловостi дозволить в рядi випадюв по-новому побудувати технолопчний процес, збiльшити продуктивнiсть працi, пвдвищити вихiд готового продукту i полш-
шити його яшсть. При цьому !х широке використання стримуеться певними недолiками.
2. Одним iз ефективних фiзичних методiв впливу на технолопчш середовища з метою зни-ження контамшацп мiкрофлори е використання ме-хаиiчних коливань ультразвукового дiапазону.
3. Проведено експериментальнi дослiджения по визначенню рацiональних параметрiв ультразву-ково! дi! з метою реалiзацi! процеав пaстеризaцi! та гомогенiзaцi! молока. Результати дослщжень шдт-вердили доцiльнiсть використання ультразвукових
кавггацшних технологш для молочно! промислово-стi, зокрема подовження термшу зберiгaиня та го-могенiзaцi! жирово! емульсп.
4. Запропоновано нову технолопчну схему виробництва питного молока за використання уль-тразвукових кaвiтaцiйних технологiй на стади пас-теризaцi! та гомогешзацп. У порiвияннi з типовими вона мае низку переваг: спрощення процесу, зни-ження температури, покращення якостi продукту та безпечшсть виробництва.
Лiтература
1. Берник 1.М. (2005) Використання фiзичних полiв для обробки харчових продуктiв. Вiбрaцi! в технiцi та технологiях. №2 (40). С. 9-20.
2. Бабарин В.П. (1995) Оборудование для стерилизации консервiв. Науч. -теор. конф. «Науч. основы. Прогресс. технол. хранения и перераб. сельхозпродукции для создания продуктов питания человека». С. 403.
3. Федоткин И.М. (1979) Интенсификация технологических процессов. Киев. Высшая школа. 343 с.
4. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств. Под ред. В.Н.Стабникова (1982). Киев. Высшая школа. 199 с.
5. Архангельский Ю.С. (2003) Элементная база СВЧ СВЧ электротермического оборудования. Саратов. СГТУ. 212 с.
6. Патент Укра!ни №25505, Н05В6/64 (2007) Мшрохвильовий пристрш знезараження води, рщкого мулу, пастеризацп молока та шших рвдких речовин. Бюл. № 12.
7. Фоминых Е.В. (2005) Расчет режима пастеризации проточной среды в СВЧ электротехнологической установке с предварительным подогревом. Системы и функциональные устройства низких и сверхвысоких частот: сб. науч. ст. Саратов. СГТУ. С. 88-89.
8. Магда В.1., Кунденко М.П. (1998) Состояние и проблемы электрической энергии для пастеризации молока. Питання електрифшацп сшьсь-кого господарства: Зб. наук. пр. Харшв. ХДТУСГ. С.128-130.
9. Кунденко М.П. (2001) Розробка нового обладнання для теплово! обробки молока Вюник ХДТУСГ. Проблеми енергозабезпечення в АПК Укра!ни. №6. С.464-467.
10 Сукманов В.О., Хазшов В.А., Гаркуша В.Б. (1991) Високий тиск i передумови його викори-стання у харчовш промисловостi. Вiсник Дон-ДУЕТ. Техиiчнi науки. Донецьк. №1(4). С. 120-128.
11. Сукманов В.О., Левгт 1.Б., Петрова Ю.М. (2002) Про перспективи використання надвисокого тиску при виробнищга сиропiв. Обладнання та технологи харчових виробництв: Тем. зб. наук. пр. Донецьк: ДонДУЕТ. Вип. 7. С. 28 -291.
12. Сукманов В.А., Соколов С.А., Гаркуша В.Б., Петрова Ю.Н., Миронова И.А. (2002) Установка для исследования влияния сверхвысокого давления на свойства пищевых продуктов и медицинских препаратов. Материалы 7-й Междунар. конф. «Высокие давления. Фундаментальные и
прикладные аспекты». Донецк: ДонФТИ НАНУ. С. 29.
13. Шаталов В.М., Беспалова С.В., Сукманов В.А., Соколов С.А. (2002) Изменение межмолекулярного взаимодействия как фактор инактиваци микроорганизмов под давленим. Проблемы еко-логи и охраны природы техногенного региона. Донецк. № 2. С.246-250.
14. Сукманов В.А., Хазшов В.А. (2003) Сверхвысокое давление в пищевых технологиях. Состояние проблемы. Донецк. ДонГУЭТ. 168с.
15. Лопатинський G.I., Зачек 1.Р, 1льчук Г.А., Романишин Б.М. Фiзика. Шдручник. - Львiв: Афша, 2005. 394 с.
16. Донченко Л.В. Надыкта В .Д. (1999) Безопасность пищевого сырья и продуктов питания. Москва. Пищ. пром-ть. 352с.
17. Брик М.Т. Питна вода i мембранш технологи / М.Т. Брик / Науковi записки. - К., 2000. - Т. 18. - С. 4-24.
18. Charfi A., Y. Yang., Harmand J., Ben Amar N., Heran M., Grasmick A. (2015) Soluble microbial products and suspended solids influence in membrane fouling dynamics and interest of punctual relaxation and/or backwashing. Journal of Membrane Science. Vol. 475. P. 156-166.
19. Дейниченко Г.В., Мазняк З.О., Золотухша 1.В. (2008) Ультрафшьтрацшш процеси та технологи рацюнально! переробки бiлково-вуглеводноI молочно! сировини. Харшв. Факт. 208 с.
20. Укра!нець А.1. (1998) Дослщження ме-хашзму дiI iмпульсного електромагнггаого поля нажиттeдiяльнiсть клiтин мiкрофлори харчових продукпв. Вестник ХГПУ. № 25. С.164-171.
21. Берник 1.М. (2013) 1нтенсифжащя техноло-гiчних процесiв обробки харчових середовищ. Вiб-рацiI в техшщ та технологiях. № 3 (71). С. 109-115.
22. Агранат, Б.А. Дубровин, М.Н. Хавский, Н.Н. (1987) Основы физики и техники ультразвука, Высшая школа, Москва.
23. Bernyk I., Nazarenko I., Luhovskyi O., Svidersky A. Researcher of the influence of low-frequency and high-frequency actions on processing of technological environments. EUREKA: Physics and Engineering. - 2018. - №1. - рр. 73-86.
24. Долинский, А.А. Иваницкий, Г.К. (2008) Тепломассообмен и гидродинамика в парожидкост-ных дисперсных средах, Наукова думка, Киев. 382 c.
25. Bernyk I. (2017) Theoretical aspects of the formation and development of cavitation processes in technological environment. MOTROL. Commission of Motorization and Energetics in Agriculture. Vol. 19. № 3. Р. 3-12.
26. Bernyk I., Luhovskyi O., Nazarenko I. (2016) Research staff process of interaction and technological environment in developed cavitation. Вюник НТУУ «КП1». Серiя машинобудування, Вип. №1 (76). C. 12-19.
27. Шестаков С.Д., Красуля О.Н., Богуш В.И. (2013) Технология и оборудование для обработки пищевых сред с использованием кавитационной дезинтеграции»: Учебное пособие для вузов. СПб.:
ГИОРД, 152 с.
28. Bernyk I., Luhovskyi O., Wojcik W., Shedre-yeva I., Karnakova G. (2019) Theoretical Investigations of the Interaction of Acoustic Apparatus with Technological Environment Working Process. Przeglad Elektrotechniczny. №1(4). рр. 32-37.
29. Luhovskyi O.F., Gryshko I.A., Bernyk I.M. (2018) Enhancing the Efficiency of Ultrasonic Wastewater Disinfection Technology. Journal of Water Chemistry and Technologyю. Volume 40. Issue 2, pp. 95-101.
30. Хмелев, В.Н., Леонов, Г.В., Барсуков, Р.В., Цыганок, С.Н., Шалунов, А.В. (2007), Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве, Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, Бийск, Россия. 400 с.
31. Берник 1.М. (2019) 1нновацшний шдхвд до
одержання високояшсного молока-сировини. Тех-шка, енергетика, транспорт АПК. №3(106). С. 4655.
32. ДСТУ 3662:2018 «Молоко-сировина ко-ров'яче» (ДСТУ 3662-97 «Молоко коров'яче незби-ране. Вимоги при закушвлЬ» i3 змшою №1 (1ПС №5-2007). К.: Держспоживстандарт Украши. 2007, 11 с.)
33. Богатова О.В., Догарева Н.Г. (2004) Химия и физика молока: учебное пособие. Оренбург: ГОУ ОГУ. 137 с.
34. Гвоздев А.В., Самойчук К.О., Кокоулин Э.П. (2005) Малоэнергоёмкие способы гомогенизации молока. Технология и механизация животноводства: Межвуз. сб. науч. трудов. Вып. 3. С.102 -107.
35. Власенко В.В., Машин М.1., Бкун П.П. (2000) Технология виробництва i переробки молока i молочних продукпв Вшниця. "Ппашс". 306 с.
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТРЕБНОГО ЗАПАСА ГИДРОЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ
СМАЗКИ
Букин А.И.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, студент
Черняев И.О.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, доцент
METHOD FOR DETERMINING THE REQUIRED HYDROPOWER RESERVE OF A LUBRICATING
SYSTEM
Bukin A.
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, student Chernyaev I.
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, docent Saint-Petersburg
АННОТАЦИЯ
В статье приведена методика определения потребного запаса гидроэлементов системы смазки двигателей автобусов, которая является актуальной для поддержания запасов на оптимальном уровне, позволит поставлять их с некоторым опережением по отношению к возникающему спросу и своевременно его удовлетворять.
ABSTRACT
The article presents a methodology for determining the required stock of hydroelectric elements of the bus engine lubrication system, which is relevant to maintain the stock at an optimal level, will allow to supply it with some advance in relation to the emerging demand and timely meet it.
Ключевые слова: методика, потребный запас, гидроэлемент, двигатель, система смазки, автобус, эксплуатация, пробег, запасная часть, текущий запас, неснижаемый запас.
Keywords: methodology, required stock, hydraulic element, engine, lubrication system, bus, operation, mileage, spare part, current stock, minimum stock.
Прежде всего необходимо отразить сущность рассматриваемой системы смазки. Она схематично поясняется на рисунке 1.
Двигатель содержит механизм газораспределения 1, кривошипно-шатунный механизм 2, системы охлаждения, питания и систему смазки [1].
Последняя включает поддон (картер) 3 с мас-лоприемником 4, масляный насос 5 с перепускным
клапаном 6, соединенный через обратный клапан 7 с пневмогидроаккумулятором (ПГАК) 8, содержащим разделенные упругим баллоном 10 газовую 9 и жидкостную 11 камеры. Рабочий отвод 12 ПГАК оснащен манометром 13, ручным двухходовым краном 14 и является линией гидроуправления двухлинейным двухпозиционным распределителем
