CC BY
78
УДК 637.1.02
ТЕХНОЛОГИЯ ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА КОМБИНИРОВАННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ РАЗНЫХ ДЛИН ВОЛН
TECHNOLOGY OF MILK PASTEURIZATION BY COMBINED IMPACT OF ELECTROMAGNETIC RADIATION OF DIFFERENT WAVE LENGTHS
А. В. Родионова, М. В. Белова, О. В. Михайлова, Г. А. Александрова A. V. Rodionova, M. V. Belova, O. V. Mikhailova, G. A. Aleksandrova
ФГБОУВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»,
г. Чебоксары
Аннотация. Представлена схема технологии пастеризации молока комплексным воздействием физических факторов, таких как электромагнитное поле сверхвысокой частоты, ультрафиолетовые лучи и ультразвуковые колебания.
Abstract. The article provides the technology scheme for milk pasteurization by combined impact of physical factors such as microwave electromagnetic field, ultra-violet rays and ultrasonic fluctuations.
Ключевые слова: гомогенизация, ультразвуковая кавитация, пьезоэлектрические элементы, электромагнитное излучение сверхвысокой частоты, резонаторная камера, эндогенный нагрев, пастеризация молока.
Keywords: homogenization, ultrasonic cavitation, piezoelectric elements, microwave electromagnetic radiation, resonating chamber, endogenous heating, milk pasteurization.
Актуальность исследуемой проблемы. В рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы (утверждена постановлением Правительства РФ от 14 июля 2012 г. № 717) большое внимание уделяется процессам качественной переработки молока.
Основная доля производства молока за 2012 год приходится на Приволжский федеральный округ и составляет 10062,2 тыс. тонн, а на территории Чувашской Республики эта цифра составила 491,0 тыс. тонн. Поэтому направление исследования по разработке техники нового поколения с использованием физических факторов, обеспечивающих снижение энергетических затрат, повышение производства высококачественного и конкурентоспособного продукта, пользующегося потребительским спросом на рынке, является актуальным.
В связи с этим целью настоящей работы является разработка и обоснование кон-стуктивно-технологических параметров и режимов работы пастеризатора, позволяющего улучшить качество молока при сниженных энергетических затратах за счет комплексного воздействия физических факторов.
Материал и методика исследований. Объектом исследования являются технологическое оборудование и процесс пастеризации молока комплексным воздействием электромагнитных излучений разных длин волн.
Предмет исследования - выявление закономерностей процесса пастеризации молока при комплексном воздействии таких физических факторов, как электромагнитное поле сверхвысокой частоты, ультразвуковые колебания и бактерицидный поток ультрафиолетовых лучей.
Главная задача - это получение высококачественного молока с более длительным сроком хранения. С целью ее решения нами проанализированы физические способы, которые имеются сегодня в современной технологии. Это и магнитная обработка, и инфракрасные пастеризаторы, и электродные пастеризаторы и др. Есть технологии обеззараживания молока комплексным воздействием ультрафиолетовых и инфракрасных лучей.
Результаты исследований и их обсуждение. Проанализируем энергетические затраты на пастеризацию молока при использовании разных физических факторов (табл. 1).
Таблица 1
Анализ удельного расхода электроэнергии при разных способах обеззараживания молока
Способы Удельный расход электроэнергии, Вт-ч/г
Электродный пастеризатор «Атена», 220 В 0,071
Высокочастотный пастеризатор молока (Виноградова, 40,68 МГц) 0,05.0,06
Установка для обработки молока УОМ-ИК-1 0,016.0,025
Актинизатор молока (УФ- и ИК-воздействия) 0,0178.0,021
Установка бактерицидной обработки молока УБО-М (УФ-воздействие) 0,0166.0,019
Электропастеризатор А1-0ПЭ-1000 (ИК-воздействие) 0,028
Проектируемая установка для сверхвысокочастотного обеззараживания молока 0,02.0,048
Анализ показывает, что высокие энергозатраты соответствуют использованию электродного и высокочастотного пастеризаторов. Установки с использованием других физических факторов функционируют при удельном расходе электроэнергии 0,02...0,05 Вт-ч/г. При разработке конструкции пастеризатора учтены все преимущества и недостатки использования физических факторов, в том числе ультразвуковых колебаний, реализованных в диспергаторе проточного типа, содержащем пьезопреобразовате-ли с накладками, выполненными заодно с концентраторами (патент РФ № 2221633 С2, МПК В0^11/02, 2004) [1]. Диспергатор имеет сложное конструктивное исполнение, что затрудняет сборку и разборку отдельных узлов для мойки и чистки рабочих поверхностей. Исполнение рабочей камеры не исключает образования застойных зон. Качество гомогенизации и пастеризации молока при данном способе воздействия оставляет желать лучшего. Рациональное комбинирование воздействий электромагнитных излучений разных длин волн с ультразвуковыми колебаниями позволит улучшить качество пастеризованного молока при любом уровне бактериальной обсемененности.
Разработанное нами устройство, на которое подана заявка на изобретение № 2013103937 от 29.01.2013, будет реализовано в линии пастеризационно-охладительной установки.
На рис. 1 изображена схема пастеризатора с комбинированным воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ), ультразвуковых колебаний и ультрафиолетового излучения. Установка для пастеризации молока состоит из цилиндрического экранного корпуса 1, СВЧ-генератора 2 с магнетроном 3, цилиндрической перфорированной резонаторной камеры 4, расположенной в ситовом экранном корпусе 5, ультразвуковых генераторов 7 с пьезоэлектрическими элементами 6, счетчика молока 8, ультрафиолетового облучателя 9, кварцевой трубки 10, циркуляционного насоса 13.
Рабочая емкость представляет собой систему двух цилиндрических экранных корпусов, причем на внешний цилиндр 1 с наружной стороны установлены источники ультразвуковых колебаний - пьезоэлементы 6, а на внутренний цилиндрический ситовый корпус 5 намотана кольцевая спираль. Сверхвысокочастотный генераторный блок 2 установлен на крышку экранного корпуса, а с ее внутренней стороны закреплена перфорированная резонаторная камера 4 так, что в нее направлен магнетрон. На верхней части цилиндрического корпуса 1 имеется патрубок, соединенный с трубопроводом, насосом 13 и системой вентилей 12. Трубопровод включает участок, выполненный из кварцевой трубы, над которой размещен УФ-облучатель.
Рис. 1. Пастеризатор с комбинированным воздействием ЭМП СВЧ, ультразвуковых колебаний и бактерицидного потока ультрафиолетовых лучей: 1 - цилиндрический экранный корпус (рабочая емкость); 2 - СВЧ-генератор;
3 - источник СВЧ-энергии - магнетрон; 4 - цилиндрическая перфорированная резонаторная камера;
5 - ситовый экранный корпус; 6 - источники ультразвуковых колебаний - пьезоэлементы;
7 - ультразвуковые генераторы; 8 - счетчик молока; 9 - ультрафиолетовый облучатель;
10 - кварцевая трубка; 11 - пастеризуемое молоко; 12 - вентиль; 13 - циркуляционный насос
Процесс обеззараживания молока комбинированным воздействием физических факторов осуществляется следующим образом. С помощью насоса 13 молоко подается в рабочую емкость 1, где поток молока находится в турбулентном режиме за счет напора насоса и кольцевой спирали, исключающей застойные зоны.
13
1 2 3
В рабочей емкости одновременно происходит:
- кавитационный нагрев за счет пьезоэлектрических элементов 6 ультразвукового генератора 7;
- диэлектрический нагрев в резонаторной камере 4 СВЧ-генератора 3;
- обеззараживание за счет бактерицидного потока УФ-лучей в тонком слое кварцевой трубы 10.
В процессе кавитации и прохождения через ситовый цилиндр 5 в турбулентном режиме молоко гомогенизируется, что усиливает эффект воздействия УФ-лучей. С целью исключения искажения кавитационных процессов в молоке воздействием электромагнитных излучений СВЧ-диапазона пьезоэлементы изолированы ситовым экранным корпусом, который одновременно выполняет фильтрацию твердых взвешенных частиц. Предварительный эндогенный нагрев происходит у поверхности резонаторной камеры за счет краевого эффекта излучений через перфорацию, а основной диэлектрический нагрев - в перфорированной резонаторной камере за счет токов поляризации. При пастеризации молока термообработка должна быть такой, чтобы погибли споры всех болезнетворных микробов. СВЧ-нагрев обладает следующим преимуществом: за счет перераспределения энергии электромагнитного поля во всем объеме продукта между клетками микроорганизмов и средой можно осуществить такие режимы термообработки, при которых клетки будут нагреваться быстрее, чем окружающая их среда. Пастеризацию молока можно произвести при меньших температурах и за более короткое время.
В зависимости от уровня бактериальной обсемененности молока конструкция предусматривает вариант многократного циклического воздействия физических факторов.
Критерий оценки исследования: снижение энергетических затрат на процесс пастеризации молока на основе комплексного анализа его микробиологических показателей.
Конечный результат - изготовление лабораторного образца производительностью 400.500 кг/ч, потребляемой мощностью 2,7 кВт. Годовой экономический эффект от применения установки составит 346 752 руб. при объеме выпускаемой продукции свыше 500 тыс. тонн/год.
Прикладное значение исследований заключается в использовании технического устройства для пастеризации молока комбинированным воздействием электромагнитных излучений разных длин волн в составе пастеризационно-охладительной установки в фермерских хозяйствах.
Резюме. Разработанный способ обеззараживания молока посредством диэлектрического нагрева и кавитационных процессов в сочетании с бактерицидным потоком УФ-лучей позволит улучшить его микробиологические показатели и увеличить срок хранения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент 2221633 РФ, МПК В0№11/02. Ультразвуковой диспергатор проточного типа / Г. Н. Чер-воненко, М. Г. Червоненко, Н. Е. Червоненко ; патентообладатель Червоненко Г. Н. - № 2001117271/15 ; за-явл. 26.06.2001 ; опубл. 20.01.2004. Бюл. № 16. - 9 с.
