CC BY
32
УДК 637.13
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОБРАБОТКА ЖИДКИХ СРЕД
Геннадий Николаевич Самарин, д. техн. н., доцент Татьяна Ивановна Скопцова, к. с.-х. н., доцент Елена Александровна Евентьева, аспирант Дмитрий Юрьевич Кривогузов, магистрант
ФГБОУ ВО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия», Россия, г. Великие Луки
В статье изложены результаты исследований по использованию ультразвука для обеззараживания жидких сред. Описаны схема разработанной лабораторной установки, выбор исследуемой жидкости и метод определения бактериальной обсемененности.
Ультразвуковое облучение (УЗ-облучение) обладает бактерицидными свойствами и в перспективе может использоваться в сельском хозяйстве, в том числе сможет заменить охлаждение и тепловую обработку молока. Эта замена повлечет за собой сбережение электрической и тепловой энергии и позволит снизить себестоимость выпускаемой продукции.
На кафедре механизации животноводства и применения электрической энергии в сельском хозяйстве ФГБОУ ВО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия» проводятся исследования по изучению ультразвукового воздействия на молоко. Для выяснения разных аспектов этого воздействия разработана лабораторная установка, с помощью которой ведется работа по определению оптимальных технологических параметров ультразвуковой обработки молока. Установка включает в себя емкость для исследуемой жидкости, ультразвуковой облучатель, емкость для охлаждающей жидкости и ряд вспомогательных элементов.
С учетом рекомендаций ряда ученых, проводящих исследования в области микробиологии, было принято решение о замене молока на его имитатор - мясной бульон, выдержанный при комнатной температуре (20 °С) в течение семи дней. Для оценки эффективно-
^ 3
стиработы спроектированного аппарата измерялось содержание бактерий в 1 см жидкости. При определении количества бактерий был использован метод редуктазной пробы с резазурином.
Целью проводимого эксперимента являлось определение оптимальных технологических режимов воздействия ультразвука на обрабатываемую жидкость. В результате установлено, что эффект обеззараживания был достигнут. Начальная бактериальная об-семененность мясного бульона составляла 4106 КОЕ/см3, после обработки количество бактерий снизилось в 8 раз, составив 500 тыс. КОЕ/см3.
Ключевые слова: ультразвуковое обеззараживание, ресурсосбережение, бактериальная обсемененность, качество молока, имитатор молока.
Введение
Молоко, образующееся в вымени коровы, практически стерильно, а бактерии в него попадают извне. При определенных условиях,
оптимальных для разных видов бактерий, они начинают размножаться. Чтобы этого не происходило, после доения необходимо проводить обработку молока от вредных микроор-
ИЗВЕСТИЯ ВЕЛИКОЛУКСКОИ ГСХА 2017 ЮБИЛЕЙНЫЙ выпуск
ганизмов и обеспечить должное его хранение и доставку до потребителя. Для сохранения качественных показателей молока на высоком уровне производят его пастеризацию с последующим охлаждением. На выполнение этих процессов затрачивается значительное количество энергии. Кроме того, все эти процессы должны проводиться на специализированном оборудовании.
Из исследований, проведенных рядом ученых [4-6], известно, что ультразвуковое облучение является энергосберегающим приемом и обладает бактерицидными свойствами, т.е. имеется возможность уничтожения бактерий в жидких средах, таких как вода, молоко, соки и др. Это свойство ультразвука послужило толчком для проведения углубленных исследований по обеззараживанию молока. УЗ-обработка в перспективе сможет заменить охлаждение и тепловую обработку молока. Это повлечет за собой сбережение электрической и тепловой энергии и окажет положительное влияние на себестоимость выпускаемой продукции.
На кафедре механизации животноводства и применения электрической энергии в сельском хозяйстве ФГБОУ ВО «Великолукская ГСХА» проводится работа по изучению ультразвукового воздействия на молоко. Результаты исследований ряда ученых показали [1, 2, 4], что воздействие ультразвуком уменьшает содержание бактерий в единице количества молока, приводит к диспергированию его жировых шариков, при этом изначальное содержа-
ние витамина С в молоке остается неизменным и т.д. Для выяснения более детальных аспектов этого воздействия на кафедре была разработана лабораторная установка, основной целью которой являлось определение оптимальных технологических режимов ультразвуковой обработки.
Материал и методы
Начальным этапом создания лабораторной установки стал процесс разработки ее технологической схемы. На схеме, представленной на рисунке 1, показаны основные элементы установки, направление движения обрабатываемой жидкости, а также места расположения вспомогательных компонентов, таких как кран слива для взятия пробы, слив в канализацию и другие.
Установка включает в себя емкость 11 для обрабатываемой жидкости, ультразвуковой облучатель 2, емкость 14 для охлаждающей жидкости, нагревательный элемент 10, лопастную мешалку 8 и вспомогательные элементы, необходимые для изменения режимов работы. В случае необходимости добавления исходного раствора в исследуемую жидкость из устройства подпитки 6 ее движение должно осуществляться через стабилизатор 7. При различных условиях проведения эксперимента может потребоваться нагрев изучаемой жидкости с помощью нагревательного элемента 10. В некоторых случаях может потребоваться охлаждение, которое осуществляется при помощи насоса 1 для охлаждающей жидкости.
1 - насос охлаждающей воды; 2 - облучатель; 3 - датчик температуры; 4 - трубопроводы; 5 - вентиль запорный проходной; 6 - устройство подпитки
первичным раствором; 7 - стабилизатор; 8 - лопастная мешалка; 9 - сливной патрубок; 10 - нагревательный элемент; 11 - емкость накопления; 12 - терморегулятор; 13 - насос для перекачки обрабатываемой жидкости;
14 - емкость для охлаждающей воды Рисунок 1 - Технологическая схема установки для ультразвукового
обеззараживания жидких сред
После проверки на герметичность всех систем установки были проведены предварительные исследования на имитаторе молока. По рекомендациям ученых [5, 7], в качестве питательной среды для бак-
терий был выбран мясной бульон, выдержанный при комнатной температуре (20 оС) в течение семи дней. Он был имитатором молока на время проведения всех исследований. Это обусловлено его длительным хране-
ИЗВЕСТИЯ ВЕЛИКОЛУКСКОЙ ГСХА 2017 ЮБИЛЕЙНЫЙ ВЫПУСК
нием с сохранением первоначальных свойств.
Для оценки работы ультразвукового аппарата измерялось содержание бактерий в единице объема исследуемой жидкости. При определении количества бактерий был использован метод редуктазной пробы с резазурином. Согласно методике, изложенной в ГОСТ 32901-2014 «Молоко и молочные продукты. Методы микробиологического анализа» [3], проводилось определение уровня бактериальной обсемененно-сти. Метод основан на восстановлении резазурина окислительно-восстановительными ферментами, выделяемыми в молоко микроорганизмами. По продолжительности изменения окраса резазурина проводят оценку бактериальной обсеме-ненности сырого молока. Приготовление основного раствора резазури-но-натриевой соли проводилось на кафедре зоотехнии и технологии переработки продукции животноводства.
Результаты и обсуждение
Исследования проводились на экспериментальном растворе объемом 160 мл. Исходя из рекомендаций ряда ученых [1, 5], необходимая продолжительность воздействия для данного объема обрабатываемой жидкости составляет 12 минут при частоте ультразвука 30 кГц.
Первые лабораторные исследования проводились на воде с целью уничтожения психрофильных бактерий, которые в ней присут-
ствуют. Далее был проведен ряд экспериментов по обеззараживанию мясного бульона, в результате которых было установлено, что содержание бактерий после обработки снижается.
Количество бактерий в обрабатываемой жидкости замерялось как до обработки ультразвуком, так и после. До обработки цвет жидкости при добавлении раствора резазу-рина становился фиолетовым, а после часовой выдержки изменялся до бледно-розового окраса. При помощи цветовой шкалы, представленной в ГОСТ 32901-2014 [3], по окрасу исследуемого раствора определялось количество бактерий, которое в нем содержалось. В данном случае было установлено, что содержание бактерий составляет 4-106 КОЕ/см3. При исследованиях жидкости после УЗ-обработки при добавлении раствора резазурина цвет также становился фиолетовым и после часовой выдержки изменялся до светло-фиолетового. Это свидетельствует о том, что бактерии были уничтожены, но недостаточно успешно. Их остаточное количество составило
3 тт
500 тыс. КОЕ/см3. Для достижения желаемого результата необходимо подобрать наиболее эффективный режим обработки жидкости, что планируется выполнить при проведении последующих экспериментов.
Выводы
Проведенные предварительные эксперименты показали, что УЗ-обработка оказывает бактери-
цидное воздействие на жидкие среды, поэтому может быть использована для обеззараживания различных жидкостей, таких как вода, соки, молоко и др. Этот способ обработки также может использоваться для стерилизации жидкостей, исключая ее нагрев до высоких температур, что обеспечит сохранение вкусовых качеств продукции. Применительно к молочной промышленности УЗ-обработка в перспективе сможет заменить охлаждение и тепловую обработку молока, что по-
влечет за собой сбережение тепловой и электрической энергий.
Лабораторные исследования были проведены при воздействии ультразвука с частотой 30 кГц продолжительностью 12 минут. Необходимо провести дополнительные исследования с разными частотами, временем обработки и начальной бактериальной обсемененностью для определения наиболее эффективных режимов обработки жидкости с целью повышения ее качественных показателей.
Библиографический список
1. Акопян В.Б. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами / В.Б. Акопян, Ю.А. Ершов. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 224 с.
2. Антушева Т.И. Некоторые особенности влияния ультразвука на микроорганизмы / Т.И. Антушева // Живые и биокосные системы. - 2013. - №4. - С.27-44.
3. ГОСТ 32901-2014. Молоко и молочная продукция. Методы микробиологического анализа. - Введен: 2016-01-01. - М.: Стандартинформ, 2015. - 24 с.
4. Самарин Г.Н. Альтернативные методы первичной обработки молока / Г.Н. Самарин, В.А. Шилин, Е.В. Шилин // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2014. - №3. - С.42-49.
5. Скиба Е. А. Стерилизация молока с помощью ультразвука / Е.А. Скиба, В.Н. Хмелев // International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM. - Новосибирск: НГТУ, 2007. - С.34-38.
6. Сукиасян С.М. Устройство для обработки молока ультразвуком / С.М. Сукиасян, В.А. Шилин // Сельский механизатор. - 2009. - №11. - С.32-33.
7. Теппер Е.З. Практикум по микробиологии / Е.З. Теппер, В.К. Шильникова, Г.И. Пере-верзева. - М.: Колос, 1979. - 216 с.
E-mail: [email protected]
182112 Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина, д. 2, ФГБОУ ВО «Великолукская ГСХА»
Тел.: +7 (81153) 7-16-22
