автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов работы системы СВЧ обеззараживания молока на фермах

Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учрежде-Всероссийский научно-исследовательский инстит сельского хозяйства

ПОНОМАРЕВ Александр Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ СВЧ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА НА ФЕРМАХ

Специальность

05.20.02 — электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАЙ 2011

Москва-2011

4845440

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится «31» мая 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006.037.01 при ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2, ВИЭСХ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2, ВИЭСХ.

Факс: 170-51-01

E-mail: viesh@dol.ru

Автореферат разослан «26» апреля 2011 г. и размещен на официальном сайте :Jitt2iww[w^viesh;ni «27» апреля 2011 г.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Новикова Галина Владимировна Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Башилов Алексей Михайлович;

доктор технических наук, профессор Сторчевой Владимир Федорович

Ведущая организация

- ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА»

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Производство молока в мире устойчиво увеличивается. В 2010 году объем производства молока в хозяйствах РФ составил 11173,5 тыс. тонн, а в Чувашской Республике - 494,9 тыс. тонн. Причем 24...26 % данного объема содержит общее микробное число выше 1 млн. КОЕ/см3, когда использование традиционной технологии пастеризации молока в пластинчатых теплообменниках, без дополнительного воздействия физических факторов, становится не эффективным.

Известно, что для стерилизации диэлектрических материалов используют мощные, дорогостоящие сверхвысокочастотные (СВЧ) генераторы, требующие сложных систем контроля и управления. Поэтому этот способ для обеззараживания сельскохозяйственных продуктов не получил широкого распространения. В связи с этим разработка установки, без использования мощных генераторов, для сверхвысокочастотного обеззараживания молока, непосредственно в процессе его пастеризации на молочно-товарных фермах, позволяющей улучшить микробиологические показатели, снизить потери продукции, является актуальной научной задачей.

Целью настоящей работы является разработка системы СВЧ обеззараживания молока в процессе пастеризации на фермах, обеспечивающей улучшение микробиологических показателей.

Основные научные задачи:

- разработать методику воздействия электромагнитного поля СВЧ на молоко в линии пастеризации для улучшения микробиологических показателей;

- разработать алгоритм расчета с программным решением, позволяющий обосновать конструктивно-технологические параметры системы и режимы СВЧ обеззараживания молока;

- разработать систему СВЧ обеззараживания молока в линии пастеризации и испытать в производственных условиях;

- оценить технико-экономическую эффективность применения системы СВЧ обеззараживания молока в технологической линии пастеризации.

Научная концепция решаемой задачи. На основе существующих закономерностей процесса эндогенного нагрева жидких продуктов решена научно-техническая задача - разработка системы, обеспечивающей эффективные теп-лообменные процессы для подавления жизнедеятельности вегетативных форм микроорганизмов в молоке за счет воздействия электрического поля высокой напряженности СВЧ диапазона.

Объектом исследования является система и технологический процесс СВЧ обеззараживания молока в линии пастеризации.

Предмет исследования - режимы СВЧ обеззараживания молока и конструктивно-технологические параметры системы.

Научную новизну результатов исследования представляют:

- аналитические зависимости и алгоритм расчета с программным решением для обоснования и реализации эффективных режимов системы с резонаторны-ми камерами, обеспечивающими высокую напряженность электрического поля СВЧ диапазона, позволяющую обеззараживать молоко;

- конструктивные параметры и режимы работы системы для СВЧ обеззараживания молока в технологической линии пастеризации (заявки на изобретения № 2010143035 - Способ и установка для пастеризации жидких продуктов, № 2010101205 - Установка для тепловой обработки жидкости, положительное решение).

Достоверность основных положений и выводов подтверждена:

- результатами экспериментальных исследований процесса СВЧ обеззараживания молока й актом о положительном испытании системы в цехе по переработке молока Федерального государственного унитарного предприятия учебно-опытного хозяйства «Приволжское» Чебоксарского района Чувашской Республики (ЧР);

- протоколами лабораторий Федерального государственного учреждения здравоохранения «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике -Чувашия», государственного учреждения «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Госветслужбы Чувашии.

Практическую значимость представляет разработанная сверхвысокочастотная установка для СВЧ обеззараживания молока, испытанная в производственных условиях в составе технологической линии пастеризации, позволяющая улучшить микробиологические показатели и увеличить срок хранения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика воздействия электромагнитного поля СВЧ диапазона на молоко в процессе пастеризации, обеспечивающая контроль и регулирование температуры эндогенного нагрева, улучшение микробиологических показателей путем применения резонаторных камер.

2. Аналитические зависимости и алгоритм расчета с программным решением для обоснования и реализации режимов системы с резонаторными камерами, обеспечивающими высокую напряженность электрического поля СВЧ диапазона, позволяющую улучшить микробиологические показатели молока в процессе пастеризации.

3. Рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров СВЧ установки, обеспечивающие снижение бактериальной обсемененности молока.

Реализация результатов исследований. Исследования по разработке установки для СВЧ обеззараживания молока проводились в соответствии с планом НИОКР ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА». В рамках тематического плана Министерство сельского хозяйства РФ по разделу «Био - нанотехнологий» по теме «Разработка методов обеззараживания молока в очагах инфекции и неблагополучных пунктах, вызванных возбудителями лейкоза и других особо опасных болезней крупного рогатого скота» разрабатывается техническая документация на установку. Исследование процесса обеззараживания молока в электрическом поле высокой напряженности СВЧ диапазона, производственное испытание установки осуществлялись в ФГУП УОХ «Приволжское» Чебоксарского района ЧР. Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», ГОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГОУ ВПО «Казанский ГАУ». На основе гранта общероссийской общественной организации «Российское аграрное движение - РАД» (14.04.2010 г.) и гранта по Программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса»

(18.02.2011 г.) изготовлена экспериментальная установка для СВЧ обеззараживания молока.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены на: всероссийской научно-практической конференции ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», Чебоксары (2003...2011 г.г.); международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства», ГОУ ВПО «Марийский ГУ», Йошкар-Ола (2007 г., 2011 г.). Установка демонстрировалась на межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем современной науки» (ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», Чебоксары, 2010 г., 2011 г.). Результаты диссертационных исследований апробированы в конкурсе «Лучший инновационный проект, в сфере АПК» и были отмечены дипломом и грантом Российского аграрного движения (РАД), (14.04.2010 г.).

Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 12 печатных работах, в том числе 4 ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК и в монографии «Обеззараживание молока в электромагнитном поле сверхвысокой частоты», объемом 11,5 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 198 страницах и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 125 наименований и приложений. В диссертационной работе содержатся 52 рисунка и 30 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, выделен объект исследований, а также приведены основные положения, выносимые на защиту. Основываясь на существующий способ воздействия, нами предлагается альтернативный метод обеззараживания молока в электрическом поле высокой напряженности сверхвысокочастотного диапазона.

В первой главе «Обзор существующих способов и технических средств для обеззараживания жидкости с использованием электрофизических факторов» проведен анализ ресурсов и объемов перерабатываемого сырья, анализ установок для тепловой обработки молока, определены задачи исследований. Системный анализ литературных источников в области разработки технологического оборудования для обработки жидких продуктов, таких авторов, как: Бредихин С.А., Кавецкий Г.Д., Ковалев Ю.А., Карташов Л.П., Крусь Г.И., Ку-рочкин A.A., Плаксин Ю.М. и др., а также в области электротехнологии - Бородин И.Ф., Башилов A.M., Воробьев В.А., Гинзбург A.C., Кириллов Н.К., Корчагин Ю.В., Кудрявцев И.Ф., Рогов И.А., Стребков Д.С., Нетушил A.B., Лыкова A.B., Лямцов А.К., Новикова Г.В., Пчельников Ю.Н., Цугленок Н.В. и других, позволил усовершенствовать процесс обеззараживания молока, разработать конструктивное исполнение и выявить эффективную модель установки.

Во второй главе «Теоретическое обоснование параметров установки для СВЧ обеззараживания молока» приведены:

- результаты теоретического обоснования процесса обеззараживания молока воздействием электрического поля высокой напряженности СВЧ диапазона в линии пастеризационно-охладительной установки;

- алгоритм согласования конструктивно-технологических параметров с программным решением;

- описание особенностей разработанной и изготовленной двухмодульной установки для СВЧ обеззараживания молока;

- обоснование конструктивных параметров цилиндрических резонаторов, обеспечивающих высокую напряженность электрического поля СВЧ диапазона, позволяющую добиться равенства между поглощаемой и отдаваемой (за счет теплопередачи и теплового излучения) энергии микроорганизмами.

На рис.1 представлена схема технологического процесса СВЧ обеззараживания молока в двухмодульной установке.

двухмодульной установке с четырьмя резонаторами: 1 - резервуар; 2 -счетчик молока; 3 - блок СВЧ генераторов; 4 - резонаторная камера; 5 - излучатель; 6 - регулятор мощности и таймер; 7- ваттметр; 8 - центробежный насос; 9 - датчик температуры, 10 - кран

Оценка поглощающей способности образца-молока, объемом 100 см3 и потери энергии за счет теплопередачи окружающему воздуху и теплового излучения показывает, что суммарные потери энергии на много меньше подводимой к образцу СВЧ энергии (рис. 2). Но, в электрическом поле при напряженности 150...300 В/см, не происходит губительный нагрев одиночных микроорганизмов [патент № 2161505]. Для обеспечения существенного нагрева микроорганизмов в электрическом поле СВЧ диапазона необходимо повысить его напряженность, в соответствии формулой 3 (на рис. 4), не менее чем в десять раз. Такая напряженность электрического поля для микроорганизмов позволяет добиться примерного равенства между поглощаемой и отдаваемой за счет теплопередачи и теплового излучения энергии, т.е. в таком электрическом поле становится возможным сильный нагрев микроорганизмов. Это возможно толь-

ко при напряженности электрического поля в пределах 4... 14 кВАч, если превышение температуры в молоке составляет 0,5...4 °С (рис. 3).

______________936684 ,„„„„

10000

и

и н

о т

х ?

о

г

100 1000 10000 100000 Напряженность электрического поля. В/см

Рисунок 2 — Изменение объемной плотности мощности потерь СВЧ энергии в зависимости от напряженности электрического поля: 1) образец - вода; 2) образец - молоко; 3) потери энергии за счет теплопередачи и теплового излучения с площади образца - молока, равной 120 см2; объем образца 93,5 ... 100 см3

1.00Е-05

Напряженность электрического поля, В/см

» 1.00Е-07

1.00Е-08

Рисунок 3 - Зависимость мощности потерь СВЧ энергии от напряженности электрического поля: 1) поглощенная мощность микроорганизмами, образец - вода; 2) поглощенная мощность микроорганизмами, образец - молоко; 3) мощность потерь энергии с площади поверхности микроорганизмов при раз-

ных превышениях температуры (сторона куба-образца 1,56-10 микроорганизма 3,8-10"'2 см3, площадь поверхности 14,6-10"8 см2)

см, объем

q.EJLsI.^ [омч

от.,.

пол. общ.

2,303

( г-1сщ5 . >

--а

1-е *

-,Вт

к

ОМЧ

ДГ с-р—-^ Д т

1-е

AT = 0,5 "С

превышение температуры молока

AT = ДГ + 0,5

12-/1, -АГ s0-e-f-r2-tgS'

,кВ/см

ДА

£<150005/ см

X - длина волны равна 12,24 см; е - диэлектрическая проницаемость молока при температуре 40...75 градусов равна, соответственно (64...60); tgS - тангенс угла диэлектрических потерь молока (0,22...0,16); k - коэффициент сопротивляемости бактерий к воздействию ЭМИ, находящихся в молоке, Вт'с/см2, для палочек Коли составляет к = 2500-Ю-6 Вт -с/см2; ОМЧ -общее микробное число в обеззараженном молоке 500 тыс. КОЕ/см3 (задано); ОМЧнсх - общее микробное число в исходном молоке, КОЕ/см3;

- КПД генератора; О - производительность СВЧ установки, см3/с; d - внутренний диаметр молокопро-вода, см; ДТ/Дт - скорость нагрева, °С/с.

Общая полезная мощность СВЧ генераторов, Вт (формула 1) [ полученная на основе формул Рубцова П.А., Соколова В.Ф и Гинзбурга A.C.] Зависимость степени снижения ОМЧ от скорости эндогенного нагрева молока (формула 2)

- коэффициент теплопроводности воздуха (0,023 Вт/м-°С); г, 5, V - соответственно, радиус (см), площадь поверхности (см2), объем образца - микроорганизма, (см3); / - частота электромагнитного поля, Гц; е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85 10"12Ф/м).

Напряженность электрического поля, кВ/см (формула

3, полученная на основе методики Корчагина Ю.В.)

НЕТ

Рпох =100

Р =Р +100 * ПО. 1. пол.

со - угловая частота СВЧ излучения, с"\ (У^ добротность резонатора; Р„аг- полезная мощность одного генератора, Вт.

Объем резонатора, см (формула 4) [Пчельников Ю.Н.1

р - плотность молока, г/см , с- теплоемкость молока, кДж/кг-°С (3,852 кДж/кг°С при температуре 75 °С), п - количество генераторов, игг.

Удельная мощность, Вт/г (формула 5)

Продолжительность воздействия ЭМПСВЧ в одном резонаторе, с (формула 6)

Удельные энергетические затраты, Вт-ч/кг (формулы 7,8)

Рисунок 4 - Алгоритм согласования конструктивно-технологических параметров установки для СВЧ обеззараживания молока

Согласование основных конструктивно-технологических параметров установки для сверхвысокочастотного обеззараживания молока осуществляли с помощью разработанного алгоритма с программным решением (рис. 4).

Методика согласования следующая:

1. Вычисляем коэффициент затухания и глубину проникновения электромагнитного излучения (ЭМИ), зная диэлектрические параметры молока и длину волны, позволяющую определить внутренний радиус диэлектрического моло-копровода и вычислить объем нагреваемого образца в резонаторе.

2. Определяем объемную плотность мощности потерь СВЧ энергии в образце-молоке при разной напряженности электрического поля.

3. Оцениваем потери энергии за счет теплопередачи с поверхности образца-молока и теплового излучения.

4. Вычисляем поглощаемую мощность микроорганизмом при разных на-пряженностях электрического поля (с учетом размера микроорганизма, представляющего собой куб, размер стороны которого равен 10"4 см).

5. Вычисляем теряемую мощность микроорганизмом за счет теплопередачи молекулам воздуха при определенном превышении температуры нагрева.

6. Вычисляем напряженность электрического поля, при которой происходит выравнивание поглощенной мощности микроорганизмом и теряемой за счет теплопередачи с его поверхности. Для надежной работы СВЧ установки напряженность электрического поля должна быть меньше половины пороговой напряженности воздуха, т.е. меньше 15 кВ/см. С целью обеспечения такой напряженности электрического поля, следует проектировать резонатор с определенной добротностью и малым объемом.

7. Вычисляем объем резонатора, при известной его добротности и высокой напряженности электрического поля. Геометрические размеры проектируемого цилиндрического резонатора следует согласовать с длиной волны, т.е. длина цилиндра должна быть равной кратности четверть длины волны. С другой стороны объем резонатора является критерием для размещения в нем определенной длины диэлектрического молокопровода.

8. Проектируем двухмодульную СВЧ установку из четырех генераторов с резонаторами малой емкости, в каждом из которых молоко нагревается на 4°С, при напряженности электрического поля 14 кВ/см. При этом удельная мощность генератора составляет 8 Вт/г, потребляемая мощность установки 4,8 кВт. С учетом продолжительности перекачивания молока с одного модуля на другой, вычисляем реальную производительность СВЧ установки.

Выбираем генератор, имеющий высокий КПД (0,7...0,9), высокую выходную мощность в непрерывном режиме (0,8 кВт), простую и надежную конструкцию, большой срок службы (2...5 тыс. ч.) и эффективно работающий при переменной нагрузке.

Используя формулы, представленные Гинзбургом A.C. и Соколовым В.Ф. в книге Рубцова ПЛ., предложены выражения 2 и 9, позволяющие оценить влияние превышения температуры эндогенного нагрева на степень снижения ОМЧ в молоке. Эти выражения предназначены для согласования технологических параметров установки, таких как: производительность установки (Q) , объем загрузки резонатора (Vi) и скорость эндогенного нагрева молока (АТ/Ат) с физико-механическими (плотностью р, теплоемкостью с) и электрическими пара-

метрами молока (диэлектрической проницаемостью е и тангенсом угла диэлектрических потерь tgS), для снижения бактериальной обсемененности.

/

1п

омч

ОМЧ„сх/

с- 1040,5е-°'°05Т- —-К Ат 1

жУ90,22-7-°|ж2 0.8877-ч'-иг '

1-е л

Л я-л/90,22-Г-00942 -0,887-Г"0392 ,

О-----л

А

(9)

Проектируемая электродинамическая система СВЧустановки, т.е. рабочая камера, в которой происходит воздействие электромагнитного поля на молоко - резонаторная. В качестве объемного резонатора использовали замкнутый с обоих концов волновод с круглым поперечным сечением, длиной равной целому числу полуволн. Основные задачи при расчете и конструировании рабочих камер сводятся к согласованию рабочей полосы частот резонатора и генератора и обеспечению равномерного нагреве молока. Объем камер должен быть достаточно большим, для обработки значительного количества молока и полного использования мощности СВЧ генератора. Исследования показывают, что если резонатор максимально заполнить молоком, имеющим высокое значение диэлектрической проницаемости (60...64) и тангенс угла диэлектрических потерь (0,16...0,22), то резко падает нагруженная добротность резонатора и согласовать ввод энергии, обеспечивающей полную передачу СВЧ энергии от генератора в объем молока, проще. Для материала круглого поперечного сечения (молоко в радиопрозрачном молокопроводе), где диаметр поперечного сечения соизмерим с рабочей длиной волны (более 0,1- X = 1,224 см), особенно когда диэлектрическая проницаемость молока велика, нагрев по сечению может быть неравномерным. Поэтому молокопровод рекомендуется располагать спирально вдоль боковой поверхности резонатора.

Для обеспечения высокой напряженности электрического поля следует направить энергию излучения в объемный резонатор, емкостью 2000 см3. Повысить напряженность электрического поля СВЧ диапазона с 200...300 В/см до 4... 14 кВ/см можно, увеличивая добротность резонатора и уменьшая его емкость. Для обеззараживания молока, при эффективной удельной мощности 6... 10 Вт/г, внутренний объем гибкого радиопрозрачного молокопровода в резонаторе должен быть не менее 100 см3, а внутренний радиус - меньше глубины затухания электромагнитных излучений в 2,73 раз. Чем длиннее молокопровод в резонаторе, при сохранении объема молока, тем легче регулируется продолжительность воздействия электромагнитного поля СВЧ, изменением мощности перекачивающего насоса.

В третьей главе «Методика и средства экспериментальных исследований» приведены частные методики исследований и характеристики использованной измерительной аппаратуры; машинно-аппаратная схема производства пастеризованного молока с использованием СВЧ установки; описания разработанных и изготовленных установок для сверхвысокочастотного обеззараживания молока. Источниками СВЧ энергии служили генераторы М\У20МД, М\¥71ЕЯ, СЕ283СШ, Н-М\¥1317, БЬ-бЗЬ 208, работающие на частоте 2450 МГц, потребляемой мощностью 1,15... 1,2 кВт. Измерение частоты электромаг-

Рисунок 5 - Установка для СВЧ обеззараживания молока: а) резонатор с радиопрозрачным молокопроводом; б) пространственное изображение установки; в) реальное исполнение установки; 1 - блок источника СВЧ энергии; 2 - общий экранный корпус; 3 -резонаторная камера, обеспечивающая высокую напряженность; 4 - крышка резонатор-ной камеры; 5 - излучатель; 6 - гибкий радиопрозрачный молокопровод, уложенный в резонаторную камеру; 7 - общий контур мо-локопровода; 8 - экранирующая трубка; 9 -металлическая оплетка; 10 - патрубок для подачи молока; 11 - патрубок для слива обработанного молока; 12 - перекачивающий насос: 13 - счетчик молока Расход молока определяли с помощью антимагнитного счетчика СГВ-15 «Бе-тар». Жирность, плотность, содержание белка, содержание общего молочного остатка определяли с помощью анализатора молока «Клевер-2». Содержание соматических клеток в молоке определяли с помощью прибора ИСКМ-1, кислотность молока - титрованием. Микробиологические исследования опытных

нитного поля проводили электронно-счетным частотомером ВК18560. Контроль биологически опасных электромагнитных излучений (напряженность и плотность потока энергии) СВЧ установки осуществляли с помощью измерителя электромагнитных излучений П3-31 (до 40000 МГц, 615 В/м) в испытательной лаборатории ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашия». Контроль напряженности электрического поля осуществляли также с помощью прибора, основанного на принципе свечения газа, интенсивность которого в баллончике при данной частоте прямо пропорциональна напряженности электрического поля. Скорость перекачивания молока, следовательно, продолжительность воздействия электромагнитного поля СВЧ, регулировали изменением мощности насоса НЦ65 А от 30 до 65 Вт.

образцов молока проводили согласно ГОСТ9225-84, ГОСТ13264-88, ГОСТ52054-2003 и Федерального закона № 88-ФЗ «Технический регламент на молоко и молочную продукцию» (от 12.06.2008 г.) в ГУ «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Госветслужбы Чувашии. Установку для СВЧ обеззараживания молока подсоединяли с помощью молокопровода к пластинчатому теплообменнику между секциями рекуперации тепла.

Установка для СВЧ обеззараживания молока (рис. 5) собрана из двух модулей, каждый из которых в общем экранном корпусе содержит два источника энергии 1. С боковых сторон общего экранного корпуса 2 расположены, напротив излучателей 5, две цилиндрические резонаторные камеры малой емкости 3. Внутри каждой резонаторной камеры 3 уложен гибкий радиопрозрачный молокопровод 6 в виде спирали, которые соединены между собой и с общим контуром молокопровода 7, включающим перекачивающий насос 12, счетчик молока 13. Молокопровод за пределами генераторных модулей находится в экранирующей трубке определенной длины. Патрубки для подачи молока 10 и для слива обработанного молока 11 содержат вентили, позволяющие регулировать расход молока.

Техническая новизна конструктивного исполнения установки для СВЧ обеззараживания молока состоит в том, что с целью увеличения напряженности электрического поля, рабочие камеры выполнены в виде цилиндрических резонаторов малого объема, содержащие внутри гибкий радиопрозрачный молокопровод. Резонаторные камеры расположены под общим экранным корпусом, образуя отдельные модули. Причем радиопрозрачные молокопроводы, соединенные между собой за пределами модулей, экранированы и образуют замкнутый круг через центробежный насос и резервуар.

В четвертой главе «Результаты исследования технологического процесса СВЧ обеззараживания молока» приведены эффективные конструктивно-технологические параметры установки, режимы обеззараживания молока. Обеззараживание молока осуществляли следующим образом. СВЧ установку, производительностью 100...240 кг/ч согласовали с производительностью технологической линии пастеризации молока через дополнительный резервуар-накопитель. Молоко (рис. 6) между секциями рекупирации пластинчатой пас-теризационно-охладительной установки, температурой 45 °С, заливали в резервуар-накопитель, откуда с помощью насоса перекачивали по молокопроводу через четыре резонаторные камеры. При этом превышение температуры эндогенного нагрева молока составило 16 °С. Далее молоко пастеризовали по традиционной схеме в кратковременном режиме. Это позволило снизить общее микробное число (ОМЧ) в молоке до двух раз. Полезная мощность СВЧ установки составляла 3,2 кВт, напряженность электрического поля в резонаторе -14 кВ/см. Наиболее существенными факторами, влияющими на эффективность СВЧ обеззараживания молока, являются: продолжительность (16 с) и скорость эндогенного нагрева (1... 1,2 °С), удельная мощность генератора (10 Вт/г), напряженность электрического поля (14 кВ/см). Результаты исследования процесса обеззараживания молока за счет воздействия электрического поля высокой напряженности СВЧ диапазона приведены ниже.

Рисунок 6 - Установка для СВЧ обеззараживания молока в линии его пастеризации в процессе производственного испытания в ФГУП УОХ «Приволжское» Чебоксарского района ЧР

Таблица 1 - Техническая характеристика установки для СВЧ обеззараживания молока

№ Наименование

1 Производительность, кг/ч 100...240

2 Скорость перекачивания молока, м/с 0,3...0,6

3 Продолжительность нагрева молока в одном резонаторе, с 4

4 Продолжительность воздействия ЭМПСВЧ за один цикл, с 16

5 Температура нагрева молока за один цикл, °С 16...18

6 Скорость нагрева продукта, °С/с 1,0...1,2

7 Удельная мощность СВЧ генератора, Вт/г 6...10

8 Потребляемая мощность СВЧ установки, кВт 4,8

9 Удельные энергетические затраты, Вт -ч/г 0,02...0,048

10 Габаритные размеры установки для СВЧ обеззараживания молока, мм 700x900x800

Свежевыдоенное охлажденное до 4± 2 °С молоко распределяли на 6 вариантов, в трехкратной повторности. Два варианта не пастеризовали, два пастеризовали по традиционной схеме в кратковременном режиме и еще два варианта подвергали к обеззараживанию с помощью разработанной СВЧ установки, между секциями рекупирации тепла. Все шесть вариантов хранили при соответствующих температурах 5 и 10 °С. Микробиологические исследования проб молока проводили согласно ГОСТ52054-2003. Результаты микробиологического анализа показали, что продолжительность хранения молока увеличивается с 42 до 66 часов, при температуре хранения 5 °С, если в процессе традиционной пастеризации между секциями рекупирации его обеззараживать в электрическом поле высокой напряженности СВЧ диапазона (рис. 7). Бактериальная об-

семененность не превысила допустимую норму для молока первого сорта 500 тыс. КОЕ/см3.

о 0,9

ю &

¿0,7 1

* 0,6 о с о

Р 0,5 ф о

ю 0,4

0 о.

1 0,3 «

в

ю 0,2 О

0,1

0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72

Продолжительность хранения молока, ч

—«-без пастеризации при температуре хранения 10 *С

—А— без пастеризации при температуре хранения 5 *С

—X— после пастеризации при температуре хранения 10 °С

- * -после пастеризации и воздействия ЭМП С8Чпри температуре хранения 10 *С

- * "после пастеризации и воздействия ЭМПСВЧпри температуре хранения 5 °С

- ч— после пастеризации при температуре хранения 5 *С

Допустимая норма ОМЧ

Рисунок 7 - График изменения содержания общего микробного числа (ОМЧ) в молоке без пастеризации, после пастеризации и дополнительного воздействия электрического поля высокой напряженности СВЧ диапазона в зависимости от продолжительности и температуры его хранения (10 °С, 5 °С)

Исследования динамики нагрева молока в электрическом поле высокой напряженности сверхвысокочастотного диапазона показывают (рис. 8), что повышение его температуры нагрева с 45 до 61 °С (между секциями рекуперации) можно достичь за 8...20 с, в зависимости от удельной мощности генератора 8... 1,6 Вт/г, соответственно. С увеличением жирности молока с 2,5 до 6 % скорость его нагрева увеличивается на 1...4 °С. Исследования, проведенные на молоке (рис. 9), содержащем в исходном состоянии ОМЧ, равное 1,045 млн. КОЕ/см3. показывают, что при превышении температуры эндогенного нагрева молока на 20 °С за 20...23 с, при удельной мощности 10 Вт/г, содержание ОМЧ снизится до 500 тыс. КОЕ/см3. Снижение ОМЧ при превышении температуры эндогенного нагрева описывается выражением

ОМЧ = 1045,3 • , КОЕ/см3. (10)

Получены эмпирические выражения продолжительности воздействия ЭМП СВЧ в зависимости от необходимого превышения температуры молока при удельной мощности: 4Вт/г- г = 3,4689-ДТ0,9009, с;

10Вт/г - г = 2,1199-АТ°'7859 ,с;

16 Вт/г - т = 1,8993 • ДТ°'6909,с. (11)

1 ¡т.! л.".: / ; : о,! 37 4 Л -•9°|.......Г ' 0,91 '

. ; . 1. : ;...].. / / /' 0.8 £ / Л, * [

[ ' 1 , о,г | N | / 0,71 / / (о;. 63 / У в : о. 2 ! 1

И : м/ 1 П5Я у / / / •61 / / 4 / . .. 1

... ; . : : 1 ' 7 / < {о. / / Ы / ...

1 / 0,46 1 04 ^ / / 51 ¿0, * '0, 8, 1 0.« , * 0,41

Мое/; 62 / 4 го. 5 > 4 »0,

0,2 го. 57 ■ а 1 ► ... 4 »о,! 61

0,2

10090-

Я

45-

- жирность 6 %, удельная мощность 8 Вт/г -жирность 2,5 %, удельная мощность 8 Вт/г

- жирность 6 %, удельная мощность 4,5 Вт/г -жирность 2,5 %, удельная мощность 4,5 Вт/г -жирность 3,2%, удельная мощность 1,6 Вт/г

О АО 20 30 40 50 60 Ю 80 90 доО д)0 «0 130 Продолжительность воздействия, с

Рисунок 8 - Динамика нагрева молока разной жирности в электрическом поле высокой напряженности СВЧ диапазона при разной удельной мощности

1200

1000

800

600

о ^

$ а

8 *

200

Ё п 10

20 30 40 50

Превышение температуры в молоке, °С

Рисунок 9 - Зависимость снижения бактериальной обсемененности от превышения эндогенного нагрева молока и динамика его нагрева при разной удельной мощности СВЧ генератора

Микробиологические и биохимические исследования проб молока осуществляли в ГУ «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Госвет-

службы Чувашии. По основным показателям биохимического анализа проб молока отклонения не отмечены и находились они в пределах ошибки опыта. За счет циклического воздействия электромагнитного поля высокой напряженности СВЧ диапазона происходило подавление жизнедеятельности микроорганизмов в молоке. Пользуясь методикой активного планирования трехфакторно-го эксперимента и программой «Statistic V5.0», построены поверхности откликов и их двумерные сечения в изолиниях моделей. Получены модели изменения ОМЧ в молоке, производительности установки, скорости нагрева молока в зависимости от варьируемых параметров (удельной мощности генератора и общей продолжительности воздействия электрического поля высокой напряженности СВЧ диапазона), при плотности молока 1027 кг/м3 (рис. 10).

Рисунок 10 - Двумерное сечение в изолиниях трехфакторной модели общего микробного числа в молоке в зависимости от удельной мощности и продолжительности обеззараживания в СВЧ установке, при плотности молока, равной 1027 кг/м3

Полученные эмпирические выражения (10, 11, 12) позволяют оптимизировать

10 12 14

! мощность. Вт/г

удельную мощность генератора и продолжительность процесса обеззараживания молока. Эмпирические выражения моделей:

ОМЧ= 345135,18 - 282191 • ру<1 - 47726,6 • г + 10827,15 • р2уд + 428,18 • т +173,65-р^ ■ г, КОЕ/см3; (10)

АГ/Лт = - 0,037 + 0,062899-руд - 0,008318- г- 0,000483-р2уд + 0,000145 •т + 0,000278-руд • г, °С/с; " (11)

£ = 773,69 - 57,68-Руо - 33,22- т + 1,41 + 0,41-т2+ 1,03-руд ■ т, кг/ч, (12) где ру0-удельная мощность, Вт/г; т - продолжительность воздействия, с.

Оценка результатов исследований ОМЧ в молоке с помощью критериев Кохрена, Фишера и Стьюдента показала, что результаты воспроизводимы, а полученные математические модели процесса обеззараживания молока значимы. Из анализа модели вытекает, что снижение ОМЧ в молоке с 1,2-Ю6КОЕ/см3 до 500 тыс. КОЕ/см3 происходит при удельной мощности 8... 10 Вт/г и общей продолжительности эндогенного нагрева 20...16 с, соответственно. Экспериментальные значения ОМЧ (рис. 10) с достаточной доверительной вероятностью коррелируются с теоретическими значениями (формула 9). Например, для снижения ОМЧ в молоке с 1,0-10бдо 0,5-10б КОЕ/см3, при производительности установки 100 кг/ч, необходимо обеспечить повышение температуры эндогенного нагрева молока на 15... 16 °С.

В пятой главе «Оценка эффективности применения СВЧ установки в технологической линии производства пастеризованного молока» представлены методика и расчет технико-экономического обоснования результатов исследований. На молочно- товарной ферме Федерального государственного унитарного

предприятия учебно-опытного хозяйства «Приволжское» Чебоксарского района Чувашской Республики суточный удой коров составляет 4...5 т, годовой объем производство пастеризованного молока - 336 тонн. Экономический эффект от применения установки для СВЧ обеззараживания молока в технологической линии пастеризации, производительностью 1 т/ч составит 97440 руб./год, рентабельность -67,44%, срок окупаемости-1,11 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанная методика воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на молоко в процессе пастеризации позволяет улучшить микробиологические показатели и увеличить срок хранения на 24 часа, при температуре 4±2 °С за счет применения четырех резонаторных камер, обеспечивающих напряженность электрического поля 14 кВ/см.

2. Полученные аналитические зависимости и разработанный алгоритм с программным решением позволили обосновать комплекс конструктивно-технологических параметров системы и реализовать режим, обеспечивающий снижение бактериальной обсемененности молока. Установлено, что в резонаторе объемом 2ООО см3 достигается напряженность электрического поля 14 кВ/см, обеспечивающая повышение температуры эндогенного нагрева молока на 4 °С, при которой происходит выравнивание поглощенной мощности микроорганизмом и теряемой за счет теплопередачи с его поверхности. Равномерный эндогенный нагрев молока обеспечивается со скоростью 1,0... 1,2 °С/с, если удельная мощность СВЧ генератора составляет 8...10 Вт/г, а внутренний диаметр радиопрозрачного молокопровода - до 3,0 см.

3. В результате производственных испытаний установки для СВЧ обеззараживания молока, производительностью 100...240 кг/ч и потребляемой мощностью 4,8 кВт в составе теплообменного аппарата, работающего в кратковременном режиме пастеризации, выявлено снижение бактериальной обсемененности в молоке с 1,2-106 до 0,5-106 КОЕ/см3. При этом повышение температуры эндогенного нагрева молока между двумя секциями рекуперации составило 15.. .16 °С.

4. Экономический эффект от применения системы СВЧ обеззараживания молока составляет в среднем 97440 руб./год за счет повышения его цены реализации с улучшенными микробиологическими показателями. При объеме обрабатываемой продукции 336 т/год рентабельность повысится на 2%.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

- в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Пономарев А.Н. Поточная диатермическая установка для обеззараживания молока /Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев //Механизация и электрификация сельского хозяйства. - М.: 2010, № 6. - С. 14... 15.

2. Пономарев АЛ. Обеззараживание молока /Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев // Сельский механизатор. - М.: 2010., № 5. - С. 23,25.

3. Пономарев А.Н. Установка для сверхвысокочастотного обеззараживания молока /А.Н. Пономарев, Г.В. Новикова //Вестник ФГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. ИЛ. Яковлева». - Чебоксары: 2011, № 2 (70).-С. 123... 127.

4. Пономарев А.Н. Зависимость мощности потерь СВЧ энергии от напряженности электрического поля /А.Н. Пономарев, М.В. Белова //Вестник ФГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. ИЛ. Яковлева». - Чебоксары: 2011, № 2 (70). - С. 119... 122.

5. Пономарев А.Н. Обеззараживание молока в электромагнитном поле сверхвысокой частоты /Н.К. Кириллов, Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев // Монография. - Чебоксары: ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», 2011. - 184 с.

- в сборниках научных трудов вузов:

6. Пономарев А.Н. Обеззараживание молока /Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев //Материалы 12 международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». - Йошкар-Ола: ГОУ ВПО «Марийский ГУ», 2010.-С. 309...310.

7. Пономарев А.Н. Динамика нагрева молока в электромагнитном поле сверхвысокой частоты /АЛ. Пономарев, А.Н. Федорова //Материалы 12 международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». - Йошкар-Ола: ГОУ ВПО «Марийский ГУ», 2010. - С. 310.. .311.

8. Пономарев А.Н. Анализ электропастеризаторов молока /Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев //Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК». - Саратов: «Саратовский ГАУ им. Вавилова», 2010.-С. 266...267.

9. Пономарев А.Н. Установка для обеззараживания жидких продуктов /А.Н. Пономарев, А.Н. Федорова //Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК». - Саратов: «Саратовский ГАУ им. Вавилова», 2010. - С. 263...266.

10. Пономарев А.Н. Диатермическая установка для обеззараживания потока молока /Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев //Материалы международной научной конференции, посвященной 80-летию Вятской ГСХА. - Киров: ФГОУ ВПО «Вятская ГСХА», 2010. - С. 156.. .157.

11. Пономарев А.Н. СВЧ установка для обеззараживания молока /Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев //Материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Модернизация АПК в контексте обеспечения продовольственной безопасности государства». - Курск: «Курская ГСХА», 2010. - С. 213...215.

12. Пономарев А.Н. СВЧ установка для обеззараживания молока /Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев //Материалы 13 международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». - Йошкар-Ола: ГОУ ВПО «Марийский ГУ», 2011.-С. 148...150.

Подписан в печать 25.04.2011 г. Формат 60x84/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Отпечатано с оригинала- макета. Полиграфический отдел, ФГОУ ВПО «Ч ГСХА», 428003, г. Чебоксары, ул. К.Маркса, 29. Лицензия ПДЦ № 27-36.

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ 9 СРЕДСТВ. ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

1.1. Ресурсы и требования к качеству молока

1.2. Электрофизические параметры молока

1.3. Анализ существующих способов и технических средств для 20 обеззараживания жидких продуктов» с использованием электрофизических факторов

1.4. Выводы по главе, цель и задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ 32 ДЛЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА

2.1. Объемные резонаторы СВЧ установки для обеззараживания 32 молока

2.2. Обоснование напряженности электрического поля в объемном 40 резонаторе СВЧ генератора, позволяющего обеззараживать молоко

2.3. Расчет необходимого потока мощности ЭМПСВЧ для подав- 55 ления жизнедеятельности микроорганизмов в молоке

2.4. Методика согласования параметров установки для сверхвысо- 60 кочастотного обеззараживания молока

2.5. Выводы по главе

3. METO ДИКА И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 71 ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Частные методики исследований и измерительная аппаратура

3.2. Разработанные проточные- СВЧ установки для обеззараж'ива- 74 ния молока

3.2.1. Схема технологического процесса производства пас- 74 теризованного молока

3.2.2. Описание разработанных установок для обеззаражи- 81 вания молока с использованием энергии электромагнитных излучений

3.2.3. Разработанная, изготовленная и испытанная СВЧ ус- 92 тановка для обеззараживания молока

3.3 Выводы по главе

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО 105 ПРОЦЕССА СВЧ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА

4.1. Расчет конструктивно-технологических параметров СВЧ уста- 105 новки для обеззараживания молока

4.2. Результаты экспериментальных исследований динамики нагре- 110 ва молока и снижения общего микробного числа при воздействии электромагнитных излучений

4.3. Оптимизация режимных параметров проточной СВЧ уста- 114 новки для обеззараживания молока

4.4. Выводы по главе 132 5. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЧ УСТАНОВКИ 134 В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПРОИЗВОДСТВА ПАСТЕРИЗОВАННОГО МОЛОКА

5:1. Технико-экономические показатели; применения; установки . 134 для сверхвысокочастотного обеззараживания молока в составе ,пас-теризационно — охладительного аппарата

5.2. Рекомендации производству по обеззараживанию молока: с ис- 141 пользованием СВЧ установки

5.3. Требования по технике безопасности при работе с СВЧ уста- 141 новкой для обеззараживания молока

Актуальность. Производство молока в мире устойчиво увеличивается. В 2010 году объем производства молока в хозяйствах РФ составил 11173,5 тыс: тонн, а в Чувашской республике - 494,9 тыс. тонн. Причем из них 24.26 % содержит общее микробное число выше 1 млн. КОЕ/см . При этом, использование традиционной технологии пастеризации молока в теплообменниках, без дополнительного воздействия, становится не эффективным. Поэтому используют технические устройства с разными физическими факторами. Выявлено, что наиболее рентабельно обеззараживание такого молока, непосредственно на молочно-товарных фермах. Известно, что при использовании источников ультрафиолетового (УФ) излучения для обеззараживания молока, микроорганизмы остаются жизнеспособными, так как стерилизуется только поверхность. Удельные энергетические затраты при использовании актинизатора (УФ-ИК воздействия) составляет 17,8. .18,6 Вт -ч/л.

Вступивший в действие в 2008 году Федеральный закон №88-ФЗ «Технический регламент на молоко и молочную продукцию» повысил требования- к сортности молока, т.е. это касается микробиологических показателей молока. На молочно-товарных фермах бактериальная > обсемененность молока остается прежней, поэтому с момента вступления закона в действие, сд'ача молока высшего сорта в ЧР уменьшилась на 25.35 %. Поэтому разработка СВЧ установки для обеззараживания молока, позволяющей повысить сортность при сохранении органолептических и физико-химических показателей, является актуальной задачей.

Для производства высококачественного пастеризованного молока (бактериальная обсемененность молока не всегда на допустимом уровне, то есть о больше 500 КОЕ/см .), необходимо усовершенствовать технологию пастеризации, например с использованием физических факторов. Качество пастеризованного молока зависит от исходного состояния содержания общёго микробного числа в молоке. В молоке с высокой бактериальной обсемененностью и после пастеризации традиционным способом остается большое количество микроорганизмов. Обсемененность молока перед пастеризацией традиционной технологией (пластичные теплообменники) должна быть не более 1 млн. л

КОЕ/см . В противном - случае снижение общего микробного числа (ОМЧ) в молоке до требуемого уровня не происходит, сортность молока не повышается по микробиологическим показателям, следовательно, снижается ср'ок его хранения.

Использование СВЧ излучений в технологии обработки молока открывает большие перспективы. Поэтому мы предлагаем новый способ обеззараживания молока, предусматривающий содержание СВЧ установки после первой секции регенерации в технологической линии пластинчатого теплообменника. Теплоемкость молока имеет сложную характеристику, с увеличением температуры выше 45 °С, она резко снижается, что позволяет снизить удельные энергетические затраты при СВЧ обработке. Следовательно, начальная температура молока, поступающего в СВЧ установку должна быть не ниже 45 градусов.

Главная функция сверхвысокочастотной установки используемой в линии пастеризации молока - снизить бактериальную обсемененность в молоке в процессе его пастеризации с помощью пластинчатого теплообменника. При этом происходит глубинное обеззараживание молока в каждой элементарной частице, и бактериальная микрофлора достигает до летального исхода.

Целью настоящей работы является разработка системы СВЧ обеззараживания молока в процессе пастеризации на фермах, обеспечивающей улучшение микробиологических показателей. 9

Основные научные задачи:

- разработать методику воздействия электромагнитного поля СВЧ на молоко в линии пастеризации для улучшения микробиологических показателей;

- разработать алгоритм расчета с программным решением, позволяющий обосновать конструктивно-технологические параметры системы и режимы СВЧ обеззараживания молока;

- разработать систему СВЧ обеззараживания молока в линии пастеризации и испытать в производственных условиях;

- оценить технико-экономическую эффективность применения системы СВЧ обеззараживания молока в технологической* линии пастеризации.

Научная концепция решаемой задачи. На основе существующих закономерностей процесса эндогенного нагрева жидких продуктов решена научно-техническая задача — разработка системы, обеспечивающей эффективные теп-лообменные процессы для подавления жизнедеятельности вегетативных форм микроорганизмов в молоке за счет воздействия электрического поля- высокой напряженности СВЧ диапазона.

Объектом исследования является система и технологический процесс СВЧ обеззараживания молока в линии пастеризации.

Предмет исследования — режимы СВЧ обеззараживания молока и конструктивно-технологические параметры системы.

Научную новизну результатов исследования представляют:

- аналитические зависимости и алгоритм расчета с программным решением для обоснования и реализации эффективных режимов системы с резонаторны-ми камерами, обеспечивающими высокую напряженность электрического поля СВЧ диапазона, позволяющую обеззараживать молоко;

- конструктивные параметры и режимы работы системы для СВЧ обеззараживания молока в технологической линии пастеризации (заявки на изобретения № 2010143035 - Способ и установка для пастеризации жидких продуктов, № 2010101205 - Установка для тепловой обработки жидкости, положительное решение).

Достоверность основных положений и выводов подтверждена:

- результатами экспериментальных исследований процесса СВЧ обеззараживания молока и актом о положительном испытании системы в цехе по переработке молока Федерального государственного унитарного предприятия учебно-опытного хозяйства «Приволжское» Чебоксарского района Чувашской Республики (ЧР);

- протоколами лабораторий Федерального государственного учреждения здравоохранения «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике

Чувашия», государственного учреждения «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Госветслужбы Чувашии.

Практическую значимость представляет разработанная, сверхвысокочастотная установка для СВЧ обеззараживания молока и испытанная в производственных условиях в составе технологической линии пастеризации, позволяющая улучшить микробиологические показатели и увеличить срок хранения.

Научные положения, выносимые на защиту: 1. Методика воздействия электромагнитного поля СВЧ диапазона на молоко в процессе пастеризации, обеспечивающая контроль и регулирование температуры эндогенного нагрева, улучшение микробиологических показателей путем применения резонаторных камер.

2. Аналитические зависимости и алгоритм расчета с программным решением для обоснования и реализации режимов системы с резонаторными камерами, обеспечивающими высокую напряженность электрического поля СВЧ диапазона, позволяющую улучшить микробиологические показатели молока в процессе пастеризации.

3. Рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров СВЧ установки, обеспечивающие снижение бактериальной обсемененности молока.

Реализация результатов исследований. Исследования по разработке установки для СВЧ обеззараживания молока проводились в соответствии с планом НИОКР ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА». В рамках тематического плана Министерство сельского хозяйства РФ по разделу «Био - нанотехнологий» по теме «Разработка методов обеззараживания молока в очагах инфекции и неблагополучных пунктах, вызванных возбудителями лейкоза и других особо опасных болезней крупного рогатого скота» разрабатывается техническая документация на установку. Исследование процесса обеззараживания молока в электрическом поле высокой напряженности СВЧ диапазона, производственное испытание установки осуществлялись в ФГУП УОХ «Приволжское» Чебоксарского района ЧР. Результаты научных исследований используются' в учебном процессе ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», ГОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГОУ ВПО «Казанский ГАУ». На основе гранта общероссийской общественной, организации «Российское аграрное движение - РАД» (14.04.2010 г.) и гранта по Программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (18.02.2011 г.) изготовлена экспериментальная установка для СВЧ обеззараживания молока.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены на: всероссийской научно-практической конференции ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», Чебоксары (2003.2011 г.г.); международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства», ГОУ ВПО «Марийский ГУ», Йошкар-Ола (2007 г., 2011 г.). Установка демонстрировалась на межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем современной науки» (ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», Чебоксары, 2010 г., 2011 г.). Результаты диссертационных исследований апробированы'в конкурсе «Лучший инновационный проект, в сфере АПК» и были отмечены дипломом и грантом Российского аграрного движения (РАД), (14.04.2010 г.).

Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 12 печатных работах, в том числе 4 ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК и в монографии «Обеззараживание молока в электромагнитном поле сверхвысокой частоты», объемом 11,5 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 198 страницах и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 125 наименований и приложений. В диссертационной работе содержатся 52 рисунка и 30 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанная методика воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на молоко в процессе пастеризации позволяет улучшить микробиологические показатели и увеличить срок хранения на 24 часа, при температуре 4±2 °С за счет применения четырех резонаторных камер, обеспечивающих напряженность электрического поля 14 кВ/см.

2. Полученные аналитические зависимости и разработанный алгоритм с программным решением позволили обосновать комплекс конструктивно-технологических параметров системы и реализовать режим, обеспечивающий снижение бактериальной обсемененности молока. Установлено, что в резонаторе объемом 2000 см достигается напряженность электрического поля 14 кВ/см, обеспечивающая повышение температуры эндогенного нагрева молока на 4 °С, при которой происходит выравнивание поглощенной мощности микроорганизмом и теряемой за счет теплопередачи с его поверхности. Равномерный эндогенный нагрев молока обеспечивается со скоростью 1,0. 1,2 °С/с, если удельная мощность СВЧ генератора составляет 8. 10 Вт/г, а внутренний диаметр радиопрозрачного молокопровода - до 3,0 см.

3. В результате производственных испытаний установки для СВЧ обеззараживания молока, производительностью 100.240 кг/ч и потребляемой мощностью 4,8 кВт в составе теплообменного аппарата, работающего в кратковременном режиме пастеризации, выявлено снижение бактериальной

6 6 3 обсемененности в молоке с 1,2-10 до 0,5-10 КОЕ/см . При этом повышение температуры эндогенного нагрева молока между двумя секциями рекуперации составило 15. 16 °С.

4. Экономический эффект от применения системы СВЧ обеззараживания молока составляет в среднем 97440 руб./год за счет повышения его цены реализации с улучшенными микробиологическими показателями. При объеме обрабатываемой продукции 336 т/год рентабельность повысится на 2%.

1. Азаров Б.М. и др. Технологическое оборудование пищевых производств. / под редакцией Б.М. Азарова. - М.: Агропромиздат, 1988. - 463с.

2. Алешкин В.Р. Механизация животноводства. / В.Р. Алешкин. М.: Агропромиздат; - 1998.- 230 с.

3. Арсеньева Т.П. Справочник технолога молочного производства. Технология и рецептуры. Т.4. Мороженое. / Т.П. Арсеньева. СПб.: ГИОРД, 2002.-184 с.

4. Антипов С.Т., Кретов И.Т., Остриков А.Н. и др. Машины и аппараты пищевых производств / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др. -М.: Высшая школа, 2001, т. 1. 620 с.

5. Антипов С.Т., Кретов И.Т., Остриков А.Н. и др. Машины и аппараты пищевых производств / С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др. -М.: Высшая школа, 2001, т.2. 650 с.

6. Андреев В.Б., Демидова Л.Д., Ивановцев В.В. Некоторые моменты обеспечения санитарного качества молока. /В.Б. Андреев, Л.Д. Демидова, В.В. Ивановцев. М.: ООО изд. Триада, 2002.- 56с.

7. Архангельский И.Н. и др. Санитарное производство молока. М.: Колос, 1974.-215 с.

8. Ахматов В.И. Исследование и усовершенствование исполнительных механизмов доильного аппарата. Автореферат дис. на соискание уч. степени, канд. тех. наук. Оренбург, 1988.- 25с.

9. Басов A.M., Быков В.Г., Лаптев A.B., Файн В.Б. Электротехнология. / A.M. Басов, В.Г. Быков, A.B. Лаптев, В.Б. Файн. М.: Агропромиздат, 1985.-256 с.

10. Басарыгина Е.М., Горяинова Т.Н., Басарыгина Т.А. Усовершенствованная технология гидропонного выращивания овощей / Е.М. Басарыгина, Т.Н. Горяинова, Т.А. Басарыгина // Механизация и электрификация сельского хозяйства. №2, 2010. С 5.6.

11. Белянчиков H.H., Белехов И.П., Кожевников Г.Н., Тургиев А.К. Механизация технологических процессов. / H.H. Белянчиков, И.П. Белехов, Г.Н. Кожевников, А.К.Тургиев М.: Агропромиздат, 1989. — 400с.

12. Белянчиков H.H., Смирнов А.И. Механизация животноводства и кормо-приготовления. / H.H. Белянчиков, А.И. Смирнов, М.: Агропромиздат, 1990.-432 с.

13. Барабанщиков Н.В. Молочное дело. / Н.В. Барабанщиков. — М.: Колос, 1993 г.

14. Бородин И.Ф., Недилько Н.М. Автоматизация технологических процессов. / И.Ф. Бородин, Н.М. Недилько. М.: Агропромиздат, 1986. — 368с.

15. Бородин И.Ф. Энергосберегающие наноэлектротехнологии в животноводстве. // Материалы 4 международной научно-технической конференции «Проблемы энергообеспечения и энергоснабжения». / И.Ф. Бородин. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004. - С 44.

16. Богданова Г.И. Производство цельномолочных продуктов. / Г.И. Богда17.