автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Исследование влияния электрофизических способов на пиво с целью повышения его стойкости

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ Український державний університет харчових технологій

На правах рукопису

ОЛІШЕВСЬКИЙ ВАЛЕНТИН ВІКТОРОВИЧ

ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ЕЛЕКТРОФІЗИЧНИХ СПОСОБІВ НА ПИВО З МЕТОЮ ПІДВИЩЕННЯ ЙОГО

СТІЙКОСТІ

Спеціальність 05.18.12 - Процеси та апарати харчових виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДК 663.465:663.255.7

Київ - 1997

Дисертація є рукописом наукової праці.

Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій.

Наукові керівники:

акад. УААН, д.т.н., проф. Гулий І.С. кандидат технічних наук, доцент Українець А.І.

Офіційні опоненти: д.т.н. Матвієнко А.Б.

к.т.н., доц. Лобода П.П.

Провідна організація: Український науково-дослідний інститут спирто- і біотехнології продовольчих продуктів

Захист відбудеться 1997 р. о тод. на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д 01.15.04 в Українському державному університеті харчових технологій за адресою: 252033, Киів-17, вул. Володимирська, 68, учбовий корпус “А”, аудиторія .?•/•/ .

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці університету.

Автореферат розісланий їїіКйІ)Ц.Л/' 1997 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. За останні роки як в Україні, так і в інших країнах приділяється значна увага підвищенню якості та подовженню термінів зберігання виробляємо!' продукції, зокрема пива.

Існуючі способи, які зараз застосовуються при виробництві біологічно- та колоїдно- стійкого пива, базуються на термічній обробці (пастеризація та стерилізація), або на застосуванні хімічних консервантів та синтетичних стабілізаторів. При цьому харчові і органолептичні властивості пива суттєво погіршуються внаслідок денатурації білків, руйнування ферментів та вітамінів.

В зв’язку з цим багато вітчизняних та закордонних наукових колективів та фірм досліджують різні електрофізичні способи подовження термінів зберігання рідких харчових продуктів, а саме: ультразвукові (УЗ), інфразвукові, обробки постійним та змінним електричними полями низьких та високих напруг, ультрафіолетовим (УФ) та рентгенівським випроміненням, магнітними та магнітно-імпульсними полями. Основними перевагами електро- та магнітно-імпульсних технологій є: повне збереження харчових та смакових властивостей продуктів; екологічність - за рахунок виключення або зменшення застосування хімічних консервантів; універсальність, що дозволяє застосовувати їх в самих різних технологічних процесах, а також відносна простота апаратурного оформлення та його обслуговування.

Мета роботи. Комплексне дослідження електрофізичних впливів у широкому діапазоні параметрів на фізико-хімічні, органолептичні властивості пива, його контамінуючу мікрофлору га розробка електрофізичних способів підвищення біологічної та колоїдної стійкості пива.

з

Конкретними цілями роботи є:

- аналіз та вибір ефективних електрофізичних способів обробки пива, дослідження їх в лабораторних і виробничих умовах;

- дослідження впливу обраних електрофізичних способів на фізико-хімічні та органолептичні властивості пива, його мікрофлору;

- вибір оптимальних параметрів процесів електрофізичної обробки пива різної якості;

- апаратурне оформлення та випробування розробленого електрофізичного способу в заводських умовах виробництва пива;

- розробка та дослідження нового способу магнітно-імпульсної обробки пива;

- апаратурне оформлення та заводська апробація магнітно-імпульсного способу.

Наукова новизна роботи:

-експериментально встановлені основні фактори впливу електрофізичних способів на процес підвищення біологічної та колоїдної стійкості пива;

-показано, що використання інфразвуку, пружних хвиль частотного діапазону “ближнього” УЗ, УФ випромінення, електричних полів постійного та змінного струму дозволило досягти суттєвого зниження контамінуючої мікрофлори пива;

-науково обгрунтована і експериментально доказана доцільність використання постійних електричних полів високих напруг для інтенсифікації процесу фільтрації та підвищення біологічної чистоти пива;

-розроблено новий спосіб подовження терміну зберігання пива, розфасованого в тару, впливом магнітних імпульсів;

-показана залежність контамінуючої мікрофлори пива від величини інгибуючого фактору (імпульсу енергії магнітно-імпульсного розряду);

-встановлено, що обробка магнітними імпульсами з накладеною вищою гармонікою порівняно з звичайною формою імпульсу сприяла більш інтенсивному зниженню загальної забрудненості (33) пива;

-розроблена математична модель процесу дії магнітних імпульсів на рідке середовище, яка дозволила визначити діапазон параметрів цих імпульсів, при яких спостерігався найбільш ефективний інгибуючий вплив наріст і розвиток мікроорганізмів;

-запропоновано критерії раціонального проектування дослідно-промислової магнітно-імпульсної установки (МІУ), методи визначення оптимальних електричних та конструктивних параметрів, а також схемних рішень установки.

Практична цінність та реалізація роботи. Розроблена установка для реалізації запропонованого способу безконтактної електробробки нефільтрованого пива, яка змонтована в виробничих умовах Київського АТ “Пивзавод на Подолі”, дозволила інтенсифікувати процес фільтрації пива, підвищити колоїдну та біологічну стійкість продукту. Річний економічний ефект від впровадження однієї установки становив 8010тис.крб. в цінах 1992р.

Запропонований спосіб підвищення термінів зберігання рідких харчових продуктів, розфасованих в тару (патент України №14841А від 18.02.97.)

Рекомендований спосіб підвищення термінів зберігання рідких харчових продуктів, розфасованих в тару (патент України №14884 А від 18.02.97.).

Розроблена промислова установка для реалізації запропонованого способу магнітно-імпульсної обробки пива в пляшках випробувана в умовах виробництва Київського АТ “Пивзавод на Подолі”. Очікуваний річний економічний ефект складає 25000 гривень.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались і були схвалені на Республіканській науково-практичній конференції “Електротехнологія” (Київ, 1995р.); на міжрегіональній науково-практичній конференції “Пищевая промышленность - 2000” (Казань, 1996р.); IX міжнародній конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв” (Одеса, 1996р.); міжнародному науковому конгресі студентів, аспірантів та молодих вчених ’’Техника и технология экологически чистих химических производств” (Москва, 1996р.); на 62-й та 63-й студентських наукових конференціях (Київ, УДУХТ, 1996, 1997).

Публікації. По матеріалам дисертації надруковано 12 наукових праць, в тому числі на розроблені способи одержано два патенти України.

Структура та об’єм роботи. Основний зміст дисертації викладений на 152 сторінках машинописного тексту, який складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків та рекомендацій. Дисертація ілюстрована 48 рисунками та 11 таблицями. Наводиться список використаної літератури, що містить 242 найменування, та додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, визначена мета та основні завдання досліджень, показана наукова новизна і практична цінність одержаних результатів.

У першому розділі показано, що в основі процесів, що сприяють погіршенню харчо-смакових та органолептичних властивостей рідких харчових продуктів, зокрема пива, в процесі їх зберігання, лежать дві групи зовсім різних факторів:

- біологічні, які пов’язані з розвитком в продуктах ікроорганізмів і визначають їх біологічну стійкість;

- фізико-хімічні, що обумовлюються складними процесами еретворення і взаємодії колоїдних речовин і визначають колоїдну гійкість продуктів.

В результаті аналізу відомих літературних даних встановлено, до використання термічної обробки (пастеризація чи стерилізація), льтрафільтрації, застосування хімічних консервантів та интетичних стабілізаторів сприяє погіршенню харчових і ірганолептичних властивостей продуктів внаслідок денатурації іілків, руйнування ферменто-вітамінних комплексів, затримки на мембранах колоїдів та високомолекулярних білків.

Показано, що перспективними новими способами юдовження термінів зберігання рідких харчових продуктів при умові збереження їх фізико-хімічних та органолептичних властивостей є електрофізичні способи. Проведений аналіз існуючих електрофізичних способів обробки дозволив зробити їх класифікацію в широкому спектрі характеристик, які на сьогодні є технічно досяжними, та сформулювати основні задачі дисертаційної роботи, а саме можливість використання електрофізичних впливів відповідних характеристик з метою подовження терміну зберігання рідких харчових продуктів, зокрема пива: інфразвуку, пружних хвиль частотного діапазону “ближнього” УЗ, УФ випромінення, електричних полів постійного та змінного струму, магнітно-імпульсних полів.

Другий розділ присвячений дослідженню впливу інфразвуку, пружних хвиль частотного діапазону “ближнього” УЗ, УФ випромінення, електричних полів постійного та змінного струму на контамінуючу мікрофлору нефільтрованого пива та його фізико-хімічні властивості. Для введення в середовище (нефільтроване

пиво) пружних хвиль високої інтенсивності ультразвуковог спектру частот нами був використаний диспергатор ультразвуковії типу УЗДН-А, який забез-

700

600

500

400

200

100

,

ч

\\ *.\ ' *\'

• \ % '. 1 \1

* V

л '■•3

• —

0,2

0,4 0,6 0,8

,1, Вт/СМл2

1.2

бечував генерацію УЗ коливань частотою 22кГц. Встановлено, що обробка нефільтрованого пива пружними хвилями частотного діапазону “ближнього” УЗ сприяла зниженню 331 на 1,5-2 порядки (рис.1). 2 300 Виявлено, що отриманий бактерицидний ефект супроводжувався підвищенням температури пива, що суттєво погіршувало його фізико-хімічні та органолептичні властивості. Крім того, відносно великі питомі витрати електричної енергії та низький коефіцієнт корисної дії (ККД) магнітострикційних перетворювачів також були важливими

стримуючими факторами подальшого використання даного способу обробки.

Для проведення досліджень з інфразвукової обробки нефільтрованого пива був розроблений і виготовлений низькочастотний вібратор настільного типу, який дозволяв проводити обробку пива в полі пружних хвиль частотою 50Гц і 100Гц. Встановлено, що 33 пива як до обробки, так і після обробки практично не відрізнялась, а при певних інтенсивностях 0,1-0,15Вт/см2 спостерігалося незначне її підвищення.

Рис.1. Залежність загальної забрудненості (И) нефільтрованого пива від інтенсивності озвучування (1) при частоті ультразвукової обробки 22кГц та тривалості обробки відповідно І- 30с.; 2- 60с.; З- 90с.

Встановлено, що ефективним був комбінований вплив УФ випромінення та пружних хвиль (50Гц). При цьому акустична ванна забезпечувала найбільш повний контакт об’єкту обробки з УФ полем, тобто вона фактично виконувала функцію мішалки, тому що основна робота УФ хвиль відбувалась в поверхневому шарі оброблюваного продукту. Встановлено, що використання такого способу дозволило знизити 33 пива на 2-3 порядки (таблиця 1).

таблиця 1.

Досліди Об’єм оброблюваного продукту ,мл Відстань між об’єктом обробки та джерелом УФ впливу, мм Тривалість обробки, хв. Кількість мікроорганізмів в 1мл. пива, хІО8

Необроблзне - - - 600

Оброблене 200 120 3 16

Оброблене 100 120 3 7

Оброблене 200 70 3 а

Оброблене 100 70 3 0,6

Але підвищення температури продукту, погіршення його смакових та харчових якостей, а також відносно велика енергоємність та низький ККД установки свідчать про неперспективність цього способу обробки.

Для дослідження впливу контактної електричної обробки змінним струмом низьких напруг на фізико-хімічні властивості нефільтрованого пива та його контамінуючу мікрофлору нами було розроблено та виготовлено лабораторну експериментальну установку. З метою використання широкого діапазону напруг і форм струму нами разом з дослідним заводом Львівського фізико-механічного інституту (ФМІ) АН України було розроблено та виготовлено джерело живлення змінного струму, яке дозволяло проводити дослідження як в електричних полях низьких напруг, так і в електричних полях відносно високих напруг (до 950В при найбільшій величині змінного струму 0,6А). Показано, що при контактній обробці нефільтрованого пива змінним електричним

полем знижувалась контамінуючамікрофлора в 5-15 разів (таблиця 2), але при цьому інтенсивно проходили процеси нагрівання та електролізу продукту, що погіршувало його фізико-хімічні та органолептичні властивості. Встановлено, що найбільш ефективними при цьому були електричні поля, створені сигналами прямокутної форми з частотою заповнення 4кГц та з частотою повторення 200Гц.

таблиця 2

Форма електричних сигна-лів Тривалість обробки, хв Сила струму, мА Напруга на електродах, В Кількість мікроорганізмів в 1мл. пива, х108

бактерії ДРІЖДЖІ

прямокутна 5 460 ЗО 0,1 0,14

трапецоїдна 5 450 40 5 0,9

синусоїдна 5 460 40 9 1,4

необроблене - - - 18 Є

На розробленій та виготовленій лабораторній установці

(рис.2) були проведені дослідження з безконтактної високовольтної електричної обробки (до 9кВ) нефільтрова-ного пива. Лабораторна експериментальна установка включала в себе циліндричний корпус

5 (виготовлений з діелектричного матеріалу), в середині якого встановлені два електроди: циліндр-труба 2 та штуцер З, через який протікало нефільтро-ване пиво з ємкості 1. Напругу на

Рис.2. Лабораторна установка для єЛЄКТООДИ ПОДаВЭЛИ ВІД ВИСОКО-оезконтактної обробки нефільтрованого *

пива в електричних полях високих напруг БОЛЬШОГО Джерела ЖИВЛЄННЯ 4,

яке було розроблено та виготовлено нами разом з дослідним заводом Львівського ФМІ АН України і дозволяло створювати як постійні, так і імпульсні електричні поля. В нижній частині корпусу установки встановлена ємкість 6, яка гнучким трубопроводом 7 з’єднана з насосом 8, за допомогою якого здійснювали перекачку пива в ємкість 1. Встановлено, що оптимальний режим електрообробки спостерігався при напруженості електричного поля 1,25кВ/см та тривалості обробки 12с. При обробці на таких режимах спостерігалось не тільки прискорення швидкості фільтрації пива в 1,5-2 рази, але і підвищення якості продукту за рахунок зниження концентрації колоїдних речовин в фільтрованому пиві в 1,5-2 рази. Показано, що в процесі безконтактної електрообробки відбувалось підвищення температури пива на 2-3°С, що не відзначалося на змінах його фізико-хімічних та органолептичних властивостей.

Встановлено, що з підвищенням напруженості електричного поля (>1,25кВ/см) та тривалості обробки (>12с) спостерігалось незначне підвищення pH пива, що не виходило за рамки нормованого рівня pH.

Результати мікробіологічних дослідженнь (рис.З.) свідчать, що зниження 33 пива на 1,5-2 порядки спостері-

Е, кВ/см

Рис.З.Залежність загальної забрудненості (14) нефільтроваиого пива від напруженості електричного поля (Е) та тривалості електрообробки відповідно: 1 -4с; 2 - 8с; 3 - 12с; 4 - 16с; 5 -20с.

галось при напруженості в діапазоні 1-1,25кВ/см та тривалості обробки в діапазоні 12-16с. Встановлено, що подальше підвищення напруженості та тривалості елекгрообробки не сприяло суттєвому зниженню 33 пива.

На основі аналізу результатів експериментальних досліджень обробки нефільтрованого пива різними електрофізичними способами було визначено найбільш ефективний спосіб -безконтактна високовольтна електрообробка та сформульовані основні задачі для дослідження цього способу в промислових умовах.

Третій розділ присвячений дослідженню впливу безконтактної високовольтної електрообробки на фізико-хімічні властивості пива та його мікрофлору в виробничих умовах Київського АТ “Пивзавод на Подолі”.

Для реалізації способу було розроблено та виготовлено дослідно-промислову установку (рис.4.), яку підключали в діючу апаратурно-технологічну схему пивзаводу по обвідному трубопроводу 2. Дослідно-промислова установка включала в себе

.... ..... на фільтрування —> ДВЗ ЄЛЄКТрОДИ: ЦИЛІНДр-трубу

З (виготовлену з металу) і % струю пива, яка в зоні дії електричного поля протікала _ через скляний трубопровід 4. Електрод 3 знаходився в ізольованому кожуху 5, який

Рис.4. Схема дослідно-промислової складався 3 СКЛЯНОЇ Труби І установки для безконтактної м

високовольтної обробки пива ДВОХ ТЄКСТОЛІТОВИХ флаНЦІВ.

Напругу на електроди установки подавали від високовольтного джерела живлення 1, марки “Ирис-М7”, виробництва Орловського ВО “Наукпршіад”. Електрообробка проходила в потоці без контакту з електродом 3.

В результаті промислових досліджень були встановлені оптимальні режими безконтактної високовольтної електрообробки

- напруженість електричного поля в діапазоні 1-1,25кВ/см і тривалість обробки 12 с, які дали можливість знизити контамінуючу мікрофлору пива в 15 разів, зменшити тривалість фільтрації в 1,5 рази. Це пояснюється тим, що під впливом сильних електричних полів відбувається порушення рівноваги колоїдного складу пива, що прискорює процес коагуляції колоїдних розчинів з утворенням більш крупніших частинок, що швидше осідали та ефективніше відділялись при фільтрації.

Встановлено, що подовження тривалості електрообробки (більше 16с) пива не приводить до якогось значимого технологічного ефекту.

Встановлено, що під дією електричного поля відбувалося не тільки зниження 33 пива, але й значне зменшення швидкості відтворення його мікрофлори. Це пов’язано з тим, що основна маса мікроорганізмів (більшість із яких несуть на собі від’ємний заряд) знаходилась на поверхні потоку пива, яка попадала під вплив значних напруженостей електричного поля. Завдяки цьому підвищувалася біологічна стійкість пива, що дозволяло подовжити термін його зберігання в збірниках перед розливом до 3 діб без змін фізико-хімічних та органолептичних властивостей.

Встановлено, що застосування безконтактної високовольтної електрообробки не викликає змін вітамінного та білкового складу пива, а також появи в ньому токсичних речовин.

Показано, що ефективність розробленого способу значно знижується за рахунок повторного забруднення мікрофлорою при проходженні по недостатньо стерильним пивопроводам та при контактуванні з фільтрувальною апаратурою, розливочним автоматом, пляшками та інше.

Четвертий розділ присвячений комплексному дослідженню розробленого нами магнітно-імпульсного способу обробки пива, розфасованого в тару, в діапазоні частот заповнення магнітних імпульсів до ІООкГц та інтенсивності до 10Тл. Для реалізації способу разом з кафедрою електрофізики Харківського державного політехнічного університету (ХДПУ) було розроблено та виготовлено експериментальну МІУ (рис.5). При вмиканні установки в мережу змінного струму ємнісний накопичувач 1, який складався з батареї конденсаторів, за допомогою підвищувально______________________—-— випрямляючого зарядного

—І— / є пристрою 2 заряджувався до

заданої задатчиком 3 напруги (від 1 до 20кВ). Після досягнення заданої напруги на накопичувачі на управляючий

Рис.5. Блок-схема експериментальної СЛСКТрОД ТрИЄЛЄКТрОДНОГО магнітно-імпульсної установки розрядника 4 подавався

підпалюючий імпульс. Після чого розрядник спрацьовував і ємнісний накопичувач розряджувався через індуктор 5, в активній частині якого було розміщено контейнер з оброблюваним продуктом (як контейнери застосовували стандартні скляні пробірки (діелектричний матеріал) діаметром 22мм, що відповідали вимогам магнітно-імпульсної обробки.

Для одержання широкого діапазону параметрів магнітно-імпульсних полів з різною інтенсивністю магнітних імпульсів та частотою їх заповнення використовували такі типи індукторів:

' -одновитковий індуктор, який дозволяв отримувати робочі частоти магнітних імпульсів до 38кГц з інтенсивністю до 4,5Тл при ємності конденсаторів 144мкФ;

ттгт

ХІТХ

►

4

-одновитковий індуктор з узгоджуючим пристроєм, який дозволяв отримувати робочі частоти магнітних імпульсів до 7 кГц з інтенсивністю до 8Тл при ємності конденсаторів 144мкФ.

Нами було розроблено та виготовлено двовитковий індуктор з концентратором магнітного поля, який дозволяв створювати магнітно-імпульсні поля інтенсивністю до 10Тл та частотою заповнення магнітних імпульсів до 1 ООкГц (установка МІУ-10/20-

2 - робоча частота 67кГц, а МІУ-2.4/20-2 - ЮОкГц).

Аналіз результатів досліджень показує, що 33 пива залежить від частоти заповнення та інтенсивності магнітних імпульсів (рис.6). Було встановлено, що оптимальною частотою заповнення магнітних імпульсів, при якій спостерігалось зниження 33 пива на 1,5-2 порядки, була частота ЮОкГц при інтенсивності магнітних імпульсів в діапазоні 4-5Тл. Встановлено, що 33 пива не залежить від кількості магнітних імпульсів в діапазоні частот їх заповнення до ЮОкГц, що значно спрощує технічно-апаратурну схему виконання даного способу і потребує незначних витрат часу та електроенергії. Встановлено також, що обробка пива магнітними імпульсами з частотами їх заповнення 7кГ ц та 38кГ ц призводила до незначної стимуляції росту мікроорганізмів, особливо дріжджів.

Відомо, що основними групами мікроорганізмів, в результаті життєдіяльності яких погіршуються харчо-смакові та органолептичні власги-

Рис.6. Залежність загальної

забрудненості (N1) пива від частоти заповненім магнітних імпульсів (0, їх інтенсивності (В) та кількості (п)

вості пива, є:дріжджі виду Saccharomyces cerevisiae, оцтовокислі та молочнокислі бактерії відповідно - Acetobacter aceti та Lactobacillus sp. Встановлено, що загальна кількість оцтовокислих бактерій після обробки знизилась на 1,5-2 порядки, молочнокислих . бактерій та дріжджів - на 1-1,5 порядки (таблиця 3). При обробці спостерігалися лише зміни морфологічного характеру, внаслідок чого відбувалося сповільнення швидкості від творення мікрофлори пива.

таблиця З

Основні групи контамінуючих мікроорганізмів кількість мікроорганізмів в 1мл. пива

необроблекі Частота заповнення магнітних імпульсів (кГц) при їх інтенсивності 4,5Тл

7 38 67 100

дріжджі 3x10? 3,9x1а5 8,7x105 1,9x10s 8,1x10і

оцтовокислі 1,2х104 8x10і 4,7x103 3x103 1,2x10*

молочнокислі 2,3x10а 2,1х103 7x10і 2,5x10а 1,1x10і

Не дивлячись на дотримання технічної чистоти, в пробірках спостерігався процес повторної (незначної) контамінації мікроорганізмами, що в певній мірі знижувало отриманий бактерицидний ефект. Для виключення цього недоліку обробку пива рекомендується проводити в герметично закупореній тарі з діелектричного матеріалу.

З метою більш грунтовного вивчення закономірностей нами була розроблена математична модель. В основу математичної моделі дії магнітно-імпульсних полів на рідке середовище покладена спектральна теорія турбулентності Колмогорова-Обухова. Згідно спектральних уявлень в теорії турбулентності при введенні в середовище імпульсу енергії можна виділити макрозбурення (збурення більші за об’єкт дослідження) і мікрозбурення (відповідно менші за об’єкт дослідження). Макрозбурення викликають лише коливання швидкості обтікання,

а мікрозбурення - турбулентні процеси, що приводять до якісних змін (в даному випадку змін, що негативно впливають на життєдіяльність мікроорганізмів).

Так, енергія, що введена в оброблюване середовище, внаслідок в’язкості цього середовища переходить від великомасштабних вихорів до більш дрібних. Процес продовжується до певного стійкого утворення Л0 (“рідкі” частинки), в межах якого відбувається врівноваження сил інерції та сил тертя:

В кінцевому результаті спостерігається процес переходу енергії вихорів в теплову енергію (дисипація енергії). Незначна потужність введеної енергії і миттєвість її вводу (тривалість

продукту.

Якісні та кількісні характеристики впливу магнітних імпульсів на мікроорганізми пива залежать від масштабу турбулентних пульсацій, величина яких визначається згідно формули “двох третин” Колмогорова-Обухова:

а спільне рішення залежностей (1) та (2) буде мати слідуючий

вид:

О)

імпульсу - —) практично не приводить до підвищення температури

(3)

Найбільший якісний вплив слід чекати у тій частині діапазону величин імпульсу енергії, при якому масштаб пульсацій був би

сумірний з розмірами мікроорганізмів. Враховуючи, що енергія дисипації дорівнює надходженню енергії від джерел її вводу, тобто в нашому випадку від енергії магнітних імпульсів розряду конденсаторів МІУ, енергію дисипації можна розглядати як питому енергію магнітно-імпульсного поля в робочій зоні індуктора МІУ (ІУпит) і вираз (3) можна записати в такій формі:

пит

При завданні вхідних (Н, /) та вихідних (ш>к) параметрів математична модель процесу обробки пива магнітно-імпульсними полями буце мати вигляд:

-кК

** (5)

л = /40= /О . /)

Аналіз результатів комп’ютерного розрахунку величин ( д, л0) в залежності від усього діапазону вхідних параметрів моделі ( Н, /) показує, що існує діапазон параметрів # і /, при яких за порядком величин масштаб пульсацій сумірний з розмірами мікроорганізмів пива (дріжджі, оцтовокислі та молочнокислі бактерії).

Було також встановлено, що під впливом магнітних імпульсів відбувались деякі морфологічні зміни мікроорганізмів, пов’язані з їх дисоціацією в Я форму. Аналіз результатів експериментальних досліджень показує (рис.7.), що кількість мікроорганізмів, які не були піддані обробці, закономірно збільшується (крива 5), в той час як при дії інгибуючого фактору (імпульсу енергії магнітно-імпульсного розряду) спостерігалося сповільнення їх росту та розмноження (криві 1,2,3,4), що в кінцевому результаті знижувало концентрацію контамінуючої мікрофлори середовища. Загибель клітин мікрорганізмів відбувалась не миттєво, а на протязі певного

проміжку часу. Вірогідно, такий процес супроводжувався втратою мікроорганізмами здатності до самовідтворення. Аналіз представлених результатів (рис.8) свідчить, що коефіцієнт відмирання мікроорга-нізмів к прямо залежить від величини імпульсу енергії впливу (/,//). Чим більше значення енергії імпульсу впливу, тим за порядком величин масштаб пульсацій більш сумірний з розмірами мікроорганізмів, і тим більший коефіцієнт відмирання.

З часом значення коефіцієнту к зменшувалось, і через певний проміжок часу асоціативна культура починала проявляти характерну швидкість росту (рис.7).

Але в результаті наявності періоду інгибу-вання мікрофлори пива логарифмічна фаза розвитку мікроорганізмів наступала при значно нижчій їх концентрації ИК, і при тій же тривалості зберігання контамінуюча мікрофлора N була менша, що підтверджується рівнянням кінетики розвитку мікроорганізмів:

N = ИКе»т (6)

Проведено порівняння комп’ютерного розрахунку величин (к, X 0) в залежності від усього діапазону вхідних параметрів (Я,/) запропонованої математичної моделі та одержаних експериментальних результатів цих величин повністю підтверджує адекватність запропонованої нами моделі.

Рис.7. Логарифмічна залежність показника загальної забрудненості пива(№) від тривалості зберігання при інтенсивності 5Тл та частоті заповнення магнітних імпульсів: 1-ІООкГц; 2 - 67кГц; 3 - 38кЦ; 4 - 7кГц; 5 -необроблене; І - лаг-фаза (стадія пристосування); II - логарифмічна стадія росту; III - стадія рівноваги та відмирання

Метотом нативного рідинного електрофорезу показано ідентичність білкового складу обробленого та необробленого

1 2 3 4 і е 7 ' пива, що засвідчує ефек-

Рис.8.Залежність коефіцієнту ТИВНІСТЬ Та ПерСПеКТИВ-відмирання к від імпульсу енергії (Ш)

ність використання даного способу обробки.

Показано, що обробка магнітно-імпульсними полями з накладеною вищою гармонікою порівняно з звичайною формою імпульсу сприяла більш інтенсивному зниженню 33 пива, але енергетичні витрати на генерування цих імпульсів не виправдовують отриманий додатковий бактерицидний ефект.

Встановлено, що застосування способу магнітно-імпульсної обробки пива в пляшках в лабораторних умовах дозволило подовжити термін його зберігання до ЗО діб. Оброблене пиво мало високу органолептичну оцінку як зразу ж після обробки, так і в процесі зберігання.

На основі математичного моделювання та аналізу результатів експериментальних досліджень сформульовані основні задачі для промислового дослідження впливу магнітно-імпульсних полів на контамінуючу мікрофлору пива та його властивості.

П’ятий розділ присвячений використанню способу магнітно-імпульсної обробки в лінії розливання пива в пляшки Київського АТ “Пивзавод на Подолі”.

Нами разом з кафедрою електрофізики ХДПУ запропонована конструкція дослідного зразка промислової установки для магнітно-імпульсної обробки пива в пляшках (рис. 9), в розрахунок

і констукцію якої були покладені оптимальні параметри 20 "

ІпК 1.2 і І і т,— І І —І ■ І І І ■ 1 1 .., г_. -, г .. - 1 1 1 1 1 \ 1 1

0.8 і І І І І 1 1 1 1

0,6 І - І— _ і 1 ■ 1 -* -

0.4 ~ І - г І— - 1 Г 1 1

0,2 І ■ 1 і 1 1 1 1111

БА

БП

PH

вп

т Ь

т 3>П

и~ м

г_х х

г*_*

експериментальних досліджень, умови діючого технологічного процесу та продуктивності лінії розливання пива в пляшки.

Були запропоновані

Критерії раціонального Рис.9. Схема дослідно-промислової установки

, для магнітно-імпульсної обробки пива в пляшках:

Проектування ДОСЛІДНО- 3- задатчик; БА - блок автоматики; PH -, розподілювач напруги; БП - блок підпалюючий; Р-

ПрОМИСЛОВОІ МГУ, метОДИ комутуючий пристрій; БІ- батарея індукторів; С -

батарея конденсаторів; ВП- випрямляючий ВИЗНаЧЄННЯ оптимальних пристрій; ПП- підвищуючий пристрій; ГТРП- пуско-

регулюючий пристрій

електричних та конструктивних параметрів, а також схемних рішень установки.

Розроблена батарея індукторів дозволила проводити одночасну обробку 5 пляшок пива дослідно-промисловою МІУ.

Запропонована схема лінії магнітно-імпульсної обробки пива в пляшках на дослідно-промисловій МГУ, яка встановлюється в лінії розливання пива зразу ж після розливально-закупорювальної машини 1 (рис. 10.). За допомогою пластинчатого транспортеру 2 закупорені пляшки з пивом місткістю 0,5л поступали на накопичувальний стіл 7, після чого їх подавали в батарею індукторів З дослідно-промислової МГУ 4, обробляли магнітними імпульсами певних характеристик (частота заповнення ІООкГц, інтенсивність 5Тл), виймали і

Рис. 10. Схема лінії магнітно-імпульсної НапраВЛЯЛИ на накопи- обробки пива в пляшках

чувальний стіл 7. Оброблені пляшки поступали на

и ^ * ••

етикетировочнни автомат 5 і за допомогою завантажувальної машини б вкладалися у ящики.

Дослідження роботи дослідно-промислової МІУ в складі промислової лінії розливання пива в пляшки підтвердили її надійність та простоту обслуговування.

Аналіз результатів промислових досліджень показав, що використання способу магнітно-імпульсної обробки пива в пляшках зберігає його біологічну цінність і дозволяє подовжити термін його зберігання до ЗО діб.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЙ

1. На основі аналізу літературних джерел була встановлена доцільність використання електрофізичних впливів відповідних характеристик з метою подовження терміну зберігання вітчизняного пива.

2.Досліджено вплив інфразвуку, пружних хвиль частотного діапазону “ближнього” УЗ, УФ внпромінення, електричних полів постійного та змінного струму на контамінуючу мікрофлору нефільтрованого пива та його фізико-хімічні властивості. Встановлено, що найбільш ефективним способом зниження загальної забрудненості.пива при умові збереження його фізико-хімічних та органолептичних властивостей є безконтактний спосіб електрообробки.

3.Виявлено, що на зниження загальної забрудненості пива впливає величина напруженості електричного поля та тривалість обробки (оптимальною є напруженість електричного поля в діапазоні 1-1,25кВ/см та тривалість обробки 12-16с). Це пов’язано

з тим, що основна маса мікроорганізмів (більшість із яких несуть на собі від’ємний заряд) знаходиться у поверхні потоку пива, де діють значні напруженості електричного поля.

4.Встановлено, що використання постійних електричних

полів високих налруг прискорює швидкість фільтрації пива в 1,5-

2 рази, підвищує його колоїдну стійкість в 1,5-2 рази та біологічну чистоту в 15-20 разів.

5.Спосіб безконтактної електрообробки випробуваний у виробничих умовах Київського АТ “Пивзавод на Подолі”. Випробування підтвердили, що в оптимальних режимах процесу електрообробки знижується контамінуюча мікрофлора пива в 15 разів, зменшується тривалість фільтрації в 1,5 рази, покращується якість фільтрованого пива та подовжується термін його зберігання в збірниках перед розливом до 3 діб.

6.Показано, що ефективність розробленого способу значно знижується за рахунок повторного забруднення мікрофлорою при проходженні по недостатньо стерильним пивопроводам та при контактуванні з фільтрувальною апаратурою, розливочним автоматом, пляшками та інше.

7. Розроблено новий спосіб подовження терміну зберігання пива, що заснований на дії на продукт магнітних імпульсів високої інтенсивності.

8. Проведено комплексне дослідження розробленого магнітно-імпульсного способу обробки пива, розфасованого в тару, в діапазоні частот заповнення магнітних імпульсів до ІООкГц та інтенсивності до 10Тл.

9.Встановлено, що бактерицидні властивості магнітно-імпульсної обробки залежать від величини інгибуючого фактору 'імпульсу енергії магнітно-імпульсного розряду), і при оптимальній частоті заповнення магнітних імпульсів ІООкГц та інтенсивності і діапазоні 4-5Тл спостерігалось зниження кількості оцтовокислих їактерій на 1,5-2 порядки, молочнокислих бактерій та дріжджів іа 1-1,5 порядки.

10. Розроблена математична модель процесу дії магнітно-мпульсних полів на рідке середовище, яка дозволила провести еоретичний аналіз процесу та визначити діапазон параметрів іагнітних імпульсів, при яких спостерігався найбільш ефективний

інгибуючий вплив на ріст і розмноження мікроорганізмів.

11. Запропоновано критерії раціонального проектування дослідно-промислової магнітно-імпульсної установки, методи визначення оптимальних електричних та конструктивних параметрів, а також схемних рішень установки.

12. Встановлено, що магнітно-імпульсну обробку пива слід проводити в герметично закупореній тарі з діелектричного матеріалу. Це, виключає можливість додаткового мікробіологічного забруднення, , відповідає вимогам магнітно-імпульсної обробки і підвищує санітарно-гігієнічні умови виробництва.

13. Розроблений, захищений патентом України (патент України №14841А від 18.02.97.) та випробуваний у виробничих умовах електрофізичний спосіб обробки пива зберігає його біологічну цінність і дозволяє подовжити термін його зберігання до 30 діб.

Очікуваний економічний ефект від реалізацій розроблених способів складає 33010 гривень на рік.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1 .Магнитно-импульсный метод продления сроков хранения жидких пищевых продуктов. /Украинец А.И., Олишевский В.В., Гулый И.С., Дашковский Ю. А.. //Пиво и напитки: -М.: 1997. -№3. -С.23-25. "

2.Спосіб підвищення термінів зберігання рідких харчових продуктів, розфасованих в тару. /Українець А.І., Олішевський В.В., Гулий І.С., Дашковсысий Ю.О., Миколів І.М. та інш. //Пат. 14841 А України, кл С 12Н 1/16. Виданий 18.02.97.

3.Спосіб підвищення термінів зберігання рідких харчових продуктів, розфасованих в тару. /Українець А.І., Олішевський В.В., Гулий І.С., Дашковський Ю.О., Миколів І.М. //Пат. 14884 А України, кл С 12Н 1/16. Виданий 18.02.97.

4.Електрофізичний метод збільшення терміну зберігання пива.

/ Українец A.I., Олішевський В.В., Гулий І.С., Дашковський Ю.О. та інш.; Укр. держ. ун-т харч. техн. -К., 1996. -10с. -Деп. В ДНТБ України 19.03.96, №751-Ук96.

5.Підвищення стійкості пива методом безконтактної електричної обробки. Українець А.І., Олішевський В.В., Гулий І.С., Дашковський Ю.О. та інші.; Укр. держ. ун-т харч. техн. -К., 1996. -11с. -Деп. В ДНТБ України 19.03.96, №752-Ук96.

6.Акустичні методи обробки рідких харчових продуктів. / Українец А.І., Олішевський В.В., Гулий І.С., Дашковський Ю.О. та інш.; Укр. держ. ун-т харч. техн. -К., 1996. -6с. Деп. В ДНТБ України 19.03.96, №753-Ук96.

7.Українець А.І., Олішевський В.В., Гулий І.С., Дашковський Ю.О. Подовження термінів зберігання рідких харчових продуктів

з використанням електрофізичних методів обробки. Республіканська науково-практична конференція “Електротехнологія”. 19 квітня. -Київ, 1995.

8.0лишевский В.В., Украинец А.И. Новый способ обработки жидких пищевых продуктов, /Техника и технология экологически чистых химических производств: Тез. докл. междунар. конгресса студентов, аспирантов и молодых ученых, 21-23 октября. -М.: МГАХМ, 1996.-С.17. ■

9.Украинец А.И., Гулый И.С., Олишевский В.В. Повышение

тгойкости пива с применением магнитно-импульсной обработки. 'Пищевая промышленность 2000: Тезисы докладов

межрегиональной научно-практической конференции, 5-8 июня. -Казань: КГТУ, 1996. -С. 129.

10.Повышение стойкости пива в электрических полях іьісоких напряжений. /Украинец А.И., Гулый И.С., Олишевский

З.В. та др. / Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових а нафтохімічних виробництв: Тез. докл. IX международной юнференции. 10.09.96. -Одесса.: ОДАХТ, 1996. протокол №1 от 2.09.96.

11.Олішевський В.В., Українець А.І. Обробка пива

електричними полями постійного та змінного струму. 62-га студентська наукова конференція. 9-11 квітня. -К.: УДУХТ, 1996.

12.Цимбал О.В., Олішевський В.В., Українець А.І. Дослідження впливу магнітно-імпульсної обробки на мікрофлору рідких харчових продуктів. 63-я студентська наукова конференція. -К.: 8-10 квітня. УДУХТ, 1997.

Умовні скорочення:

УЗ - ультразвук; УФ -ультрафіолет; 33 - загальна забрудненість; ККД - коефіцієнт корисної дії; МІУ - магнітно-імпульсна установка.

< К2

Умовні позначення: р - густина, —т; а> - швидкість . М . м . , .

пульсацій, —; Д - масштаб пульсацій, м\ И - динамічна в язкість, Не .с . Нсм . ...

—г; V - кінематична в язкість, ------; є - швидкість дисипації

м мг кг

енергії, —3-; 1¥кит - питома енергія магнітно-імпульсного поля, ; IV - енергія магнітно-імпульсного поля, Дж; / - частота

СК2

заповнення магнітних імпульсів, Гц; н - напруженість магнітного поля, —; т - тривалість зберігання, діб; ц 0 - магнітна постійна вакууму, —; N - кількість мікроорганізмів; £ - коефіцієнт відмирання мікроорганізмів; £і - константа швидкості росту.

Індекси: V - об’єм продукту, тп - маса продукту, о -внутрішній, к - початкова.

Annotation

by V.V.Olishevskiy. Study of an influence of electrophysical methods upon beer providing the purpose of its stability rising.

Candidate of technical sciences dissertation in speciality 05.18.12

- processes and apparatuses for food industries, Ukrainian State Food Production Technologies University, Kiev, 1997.

10 scientific papers, 2 patens containing theoretical studies of electrophysical methods of beer processing to increase its shelf life is being defended, as well as results of experimental studies to determine efficiency of electrophysical methods for increase of biological and colloidal stability of beer. It was worked out methods for contactless high-frequency electric and magnetic-discharge processing of liquid food-stuffs packed in tare. Developed electrophysical methods have been introduced into production, data concerning their efficiency within the process of their implementation are enclosed.

Аннотация

Олишевского B.B. Исследование влияния электрофизических способов на пиво с целью повышения его стойкости.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств, Украинский государственный институт пищевых технологий, Киев, 1997.

Защищается 10 научных работ, 2 патента, которые содержат теоретические исследования электрофизических способов обработки пива с целью повышения сроков его хранения, а также результаты экспериментальных исследований определения эффективности электрофизических способов повышения биологической и коллоидной стойкости пива. Разработаны способы бесконтактной высоковольтной электро- и магнитноимпульсной обработки жидких пищевых продуктов, расфасованных в тару. Осуществлено промышленное внедрение разработанных электрофизических способов, приводятся данные

об их эффективности в процессе реализации.

Ключові слова: електрофізичні способи, пиво, загальна забрудненість, безконтактна високовольтна електрична та магнітно-імпульсна обробка.