автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обоснование параметров установки обеззараживания молока на фермах ультрафиолетовым и инфракрасным излучением

На правах рукописи

ЛЕТАЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА НА ФЕРМАХ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ И ИНФРАКРАСНЫМ

ИЗЛУЧЕНИЕМ

Специальность 05.20.02 — электротехнологии и электрооборудование в

сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

20 СЕН 2012

005047243

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский н; учно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГН ВИЭСХ) Российской академии сельскохозяйственных наук, г. Москва.

Научный руководитель:

кандидат технических наук Малышев Владимир Викторович

Официальные оппоненты: Башилов Алексей Михайлович

доктор технических наук, профессор МГАУим.В.П.Горячкина, заведующий кафедрой

Зеленцов Анатолий Иванович

кандидат технических наук,

ГНУ ВИЭСХ, заведующий лабораторией

Ведущая организация:

ФГОУ ВПО «Московская Государственная Академия Ветеринарной Медицины и Биоте: нологии имени К. И. Скрябина»

Защита состоится «» 2012 г. в часов на заседании Диссерт;

ционного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении Всерос

сийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяГ

ства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу:

109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2.

Телефон: (499) 171-19-20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ Автореферат разослан 2012г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим н< правлять по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, д.2. Факс: (499) 170-51-01, E-mail: viesh@dol.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

А. И. Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время очистка молока от шкроорганизмов и его пригодность для непосредственного употребления в ищу осуществляется тепловой обработкой. При тепловой обработке расходуется ¡тчительная часть электрической энергии. Развитие молочного про-зводства предусматривает необходимость разработки и внедрения новых спо-обов пастеризации, дополнительной бактерицидной обработки молока и мак-имального сохранения в нем биологически ценных веществ.

Одной из таких актуальных нетрадиционных электротехнологий может гать «нетепловая» обработка молока, которая основана на использовании бак-ерицидных свойств УФ - излучения. При облучении молока УФ -излучением ин-енсивно происходит уничтожение микроорганизмов и синтез витаминов группы ). Проблема использования новых технических средств оптической электро-ехнологии для обработки молока требует комплексного решения, учитывающего рганолептические, физико-химические и микробиологические показатели мо-ока, которые ранее ухудшались за счет применения озонообразующих ртутных амп высокого давления. Появление в настоящее время безозонных амальгамных тутных ламп низкого давления (НД) мощностью 100 - 300 Вт, позволило вновь ернуться к исследованию данной проблемы. Данная работа посвящена комби-ированному обеззараживанию молока УФ и ИК -излучением.

Исследования и разработки выполнялись автором в соответствии с контактом с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации № 1280/13 т 02 сентября 2008 года (Департамент пищевой и молочной промышленности) Разработать нанотехнологии воздействия электромагнитных волн в инфра-расном и ультрафиолетовом диапазонах на биологически активные вещества мо-ока» в течение 2008 - 2009 годов.

Исследования по обработке молока УФ и ИК -излучением потребовали ис-ользования достижений современной науки и техники (светотехники, микро-иологии, технологии обработки молока и других), поэтому они проводились в одружестве с несколькими научными учреждениями и организациями: 1НИМИ, НПО «ЛИТ» и др.

Целью работы является научное обоснование параметров установки для овместного воздействия УФ и ИК - излучением на молоко для уменьшения бак-ериальной обсемененности до 3*105 КОЭ/см3 и снижения расхода электриче-кой энергии на обеззараживание молока.

Основные задачи исследования:

1. Провести аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы

по пастеризаторам молока и оценке воздействия электромагнитных излучений в УФ и ИК - диапазонах на свойства молочного продукта с целью определения резервов энергосбережения при обеззараживании молока.

2. Разработать методику и метод энергосбережения при комбинированном обеззараживании молока УФ и ИК - излучением, направленные на снижение потребления электрической энергии и получение молока первого сорта.

3. Провести экспериментально-теоретическое обоснование параметров конструкции и режимов УФ - облучателя и разработать методику расчета облу-чательного бактерицидного устройства (ОБУ) для обеззараживания молока.

4. Разработать исходные требования и определить технологические показатели экспериментального образца установки для обработки молока УФ и ИК-излучениями.

5. Провести производственные испытания экспериментального образца установки комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК- излучением и технико-экономическую оценку эффективности применения разработанной установки.

Объектом исследования являются экспериментальный образец комбинированного УФ и ИК -пастеризатора молока с применением устройства УФ -облучения, технологические мероприятия и молоко.

Предмет исследования: технологические линии обработки молока, которые основаны на использовании бактерицидных свойств УФ-излучения совместно с ИК- пастеризатором для снижения обсемененности и температуры нагрева.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

1. Теоретическими исследованиями обоснованы эффективные режимы и параметры обеззараживания молока устройством УФ - облучения (доза облучения - 16мДж/см2, бактерицидный поток - 49 Вт, облученность — 8,1 Вт/м2, время обработки менее 2 с, слой обрабатываемого молока - до 0,75 см и коэффициент поглощения молока разной жирности — 0,37-0,47 см-1).

2. Разработан метод расчета параметров используемой безозонной амальгамной лампы НД мощностью 145 Вт для устройства УФ-обработки молока, обеспечивающего снижение обсемененности молока на один порядок.

3. Предложен комбинированный способ обеззараживания молока УФ и ИК- излучениями, получено молоко 1-го сорта (снижена обсемененность до 3-105 КОЭ/см3 при температуре 72°С).

4. Разработаны рекомендации и исходные требования на установку ком-

бинированного обеззараживания молока УФ и ИК -излучением. Определена экономическая эффективность установки комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК-излучением 81590 рублей для фермы на 400 коров за год и получен технологический эффект в виде витамина 03.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. УФ - облучатель с бактерицидной амальгамной лампой НД мощностью 145 Вт для установок комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК - излучением с толщиной слоя молока до 0,75 см, реализующий рациональные параметры и режимы работы при обеззараживании молока.

2.Методика расчета и выбора эффективных параметров устройства для УФ - обработки молока, позволяющего снизить затраты электроэнергии на 30% и об-семененность молока до 3 □ 105 КОЭ/см3.

3. Результаты производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности установки обеззараживания молока УФ и ИК - излучением.

Практическая значимость исследования:

- снижены затраты электроэнергии на 30% и получены молочные продукты с заданными свойствами при совместной обработке молока УФ и ИК - излучением;

- разработано устройство обеззараживания молока УФ - излучением для использования в комбинированном режиме облучения с ИК - пастеризатором, позволяющее снизить обсемененность до 3-105 КОЭ/см3 при температуре 72°С;

- разработаны исходные требования на установку обеззараживания молока УФ и ИК - излучением производительностью до 1000 л/час;

- годовой экономический эффект от реализации результатов работы составляет 81590 рублей для молочной фермы на 400 коров.

Апробация результатов исследования

Основные положения и результаты диссертационной работы использованы при подготовке отчетов по контракту № 1280/13 от 02 сентября 2008 года с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации (Департамент пищевой и молочной промышленности) в 2009 году; доложены и одобрены на 7-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (18 - 19 мая 2010 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ).

Публикации

Основные положения и результаты диссертации изложены в 8 печатных работах, в том числе в трех работах в издании, указанном в Перечне ведущих журналов и изданий ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих вывс дов по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на 109 стр; ницах текста, содержит 17 рисунков, 15 таблиц и 5 приложений на 36 страница; Список использованной литературы включает 109 наименований, из которых на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи иг следования, кратко изложены основные положения, выносимые на защиту, дан общая характеристика работы.

Первая глава «Современное состояние пастеризации молока и задач исследования» посвящена анализу существующих способов пастеризации мс лока и оценке воздействия электромагнитных излучений в УФ и ИК -диапазона на свойства молочного продукта.

Пастеризация молока является одним из основных процессов в молочно промышленности. Проводится она не только с целью уничтожения патогенно микрофлоры, но и с целью инактивации ферментных систем и создания опреде ленных качеств готового продукта из молока. Традиционные высокотемпер; турные обработки молока (стерилизация и пастеризация с использованием пар; гарантируют высокую стерильность, но при этом приводят к разрушению пс лезных компонентов (ферментов, витаминов и других), что в конечном итоге н благоприятно сказывается на продукте в целом.

Для тепловой пастеризации молока применяются пастеризаторы тип ПМР-02-ВТ с роторными нагревателями мощностью 17 кВт и производитель ностью 1000 л/час или с электрокотлом мощностью 25 кВт и производитель ностью до 2000 л/час. Данное оборудование обеспечивает решение поставленны задач, но требует больших энергетических и капитальных затрат.

ИК - пастеризаторы и комбинированные УФ и ИК - пастеризаторы у на в стране и за рубежом не выпускаются.

Для исследования воздействия УФ - излучения на тонкие слои молока 1 - 20 мкм фирмой ЗАО «ДЕГА Инжиниринг» была создана экспериментальна установка «нетеплового» обеззараживания молока бактерицидными ртутным лампами НД мощностью 20 и 40 Вт, на которой изучались спектральные харак теристики основных компонентов молока в УФ-С области спектра. Качество мс лока по технологическим показателям и питательной ценности отвечало ГОС' Р 52054-2003 13264-88.

В мировой практике требования к нормируемой дозе УФ - облучения при эеззараживаиии жидких продуктов варьируются в пределах от 16 до 40 мДж/см2. бщие стандартные требования, предъявляемые к качеству и сортности молока РФ - бактериальная обсемененность до 3-105 КОЭ/см3.

Для снижения энергозатрат и повышения качества молочных продуктов редставляется перспективным комплексное использование УФ -излучения и ИК пастеризатора, позволяющее снизить температуру пастеризации молока и об-гмененность. Основные преимущества установок с УФ и ИК -излучением для эеззараживания молока следующие:

- возможна целенаправленная обработка молока с получением наилучших войств, требуемых для дальнейшей переработки (хорошая сквашиваемость для роизводства кисломолочных продуктов, низкая влагоудерживающая способ-ость белков для производства сыра и творога), и витамина Оэ;

- качество молока по технологическим показателям и питательной цен-ости превосходит молоко, обработанное традиционным тепловым способом;

- удельный расход электроэнергии на 30% ниже, чем в традиционных ггановках;

- для работы установки не требуется пар и система подготовки горячей

эды.

Исследованиями известных ученых Айзенберга Ю.Б., Банниковой Л.А., ассермана А.Л., Гаврюшенко Б. С., Гизатулина В. Г., Козинского В.А., Коряж-ова В. П., Краснокутского Ю. В., Магда В.И., Рогова И. А., Свентицкого И.И., вердохлеба Г. В., Харитонова В. Д., Цоя Ю. А., Шидловской В. П. и других ре-гены ряд теоретических и прикладных задач в области обоснования параметров режимов установок для обработки молока. Однако вопрос комплексного ис-ользования УФ -излучения и ИК -пастеризатора изучен не полностью, что поз-элило определить предмет и объект исследования.

На основании проведенного анализа была поставлена цель и определены щачи исследований, направленные на разработку энерго- и ресурсосберегаю-(ей установки пастеризации молока УФ и ИК- излучением.

Во второй главе «Теоретические исследования УФ и ИК - пастеризации олока» приведены:

- результаты исследования оптических свойств молока под воздействием Ф - излучений;

- методика расчета параметров ОБУ и обоснование выбора устройства УФ 1злучения (спектр, интенсивность, доза облучения, продолжительность) для Ф - обеззараживания молока с погруженным источником излучения;

- результаты исследования воздействия УФ и ИК -излучения на микробный, витаминный и аминокислотный состав молока.

Спектральный коэффициент поглощения молока ае(Х) при те= 0 определяется из уравнения: ас (А.) = 1 - ре(А.),

где ре(Я) - спектральный коэффициент отражения излучения молоком.

Проведено исследование зависимости коэффициента поглощения ае(Х) от длины волны - в УФ -диапазоне 185 - 380 им с шагом ДХ.=1 нм. Измерения про водились на спектрофотометре типа UV-VIS «SPECORD М40».В качестве объекта использовалось молоко первого сорта. Спектральная характеристика молокз представлена на рис. 1.

Энергия излучения, эВ

8,3 7,? 7,3 IZ 6,5 0,2 5,9 5.6 5.4 Я 4,9 4,8 4,6 4.4 4.3 4,! 4,0 3.5 3,8 3.6 3,5 3,4 3,3

150 160 ПО 180 190 203 210 220 230 240 250 260 270 280 250 300 310 320 330 340 IX 360 370

Длина волны, нм

Рис. 1. Спектральная характеристика молока

Из рис. 1 видно, что каждая составляющая молока (молочный жир, лактоза) имеет свой, присущий только ей, спектр поглощения. Учитывая действие УФ и ИК -излучения на органические компоненты молока (жиры, белки, углеводы и т.д.), можно проводить целенаправленную обработку молока, селективно воздействуя на его определенные составляющие.

Наиболее ценной составляющей частью молока являются белки. С уве-

личением интенсивности теплового воздействия в диапазоне температур 80-92°С, содержание общего и неказеинового белка существенно снижается. Содержание белков в молоке после УФ и ИК - обработки, практически не меняется при температуре 70 - 72°С. Следовательно, пищевая ценность такого молока выше, чем пастеризованного традиционными способами. Влагоудерживающая способность белков после УФ и ИК -обработки ниже, чем при традиционных способах обработки. Этот эффект имеет большое значение при производстве творога или сыра, поскольку вследствие хорошего отделения сыворотки, проще получить сгусток требуемой влажности для сыра или творога высокого качества. УФ- и ИК-обработка молока позволяет получать продукты с улучшенными свойствами.

Качество всех молочных продуктов сильно зависит от состояния жировой фазы и минерального состава молока. Высокое качество молока после обеззараживания УФ и ИК -нагревом объясняется наличием мягких условий нагревания, отсутствием интенсивного пригара на нагревательных поверхностях и снижением обсемененности. Пищевая ценность молока, в части жирности, витамина С и минерального состава, после обеззараживания УФ и ИК -нагревом при температурах до 72°С не меняется.

Для исследования воздействия УФ -излучения на молоко нами было разработано специальное устройство для обработки минимально возможных тонких слоев (до 0,75 см) молока УФ -излучением бактерицидной амальгамной лампы НД, схема которого приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема устройства обеззараживания молока с погруженным источником УФ -излучения: 1- входной патрубок; 2-УФ лампа; 3-кварцевый чехол; 4- выходной патрубок

Методика и расчет ОБУ для УФ -обеззараживания молока с погруженным источником излучения основывается на определении коэффициента поглощения молока а, дозы облучения Ннорм, бактерицидной облученности Е6к, времени об-

з

8=

работки I и эффективного бактерицидного потока УФ -излучения Фе. Основной характеристикой процесса УФ - обеззараживания, определяющей степень снижения количества микроорганизмов в процессе облучения, является нормированная доза облучения - Ннорм =16 мДж/см2.

Расчетная схема ОБУ пастеризации молока с погруженным источником ОИ приведена на рис. 3.

Рис. 3. Расчетная схема ОБУ обеззараживани 1 молока с погруженным источником ОИ: 1 - раз рядная бактерицидная лампа НД; 2 - кварцевы цилиндрический чехол; 3 - корпус установки и -нержавеющей стали

Процесс уничтожения бактерий под действием УФ -излучения подчиняется экспоненциальному закону:

Ебк'1

Мв =7У0- е Н,,орм , (1;

где 1ЧВ = 3-105 КОЭ/см3 - допустимое после обеззараживания количество вы живших бактерий Е.СоН в молоке; И0 = 3-106 КОЭ/см3 - начальное до обеззараживания количество этих бактерий.

С учетом коэффициента запаса (К,) из формулы (1) следует:

Ебк = - К, • Ннорм • Г1 • 1п Мв/М0. (2;

Выбираем К, = 2,2; 1п ?4В/М0 = -2,3; I = 1 с. Тогда: Ебкср = 81 мВт/см2.

Для обеззараживания выбираем лампу ДБ-145 мощностью 145 Вт в кварцевом чехле ОБУ. Параметры лампы: межэлектродное расстояние - 77 см; диа метр — 19 мм.

Принимаем наружный диаметр кварцевого чехла с1 = 25 мм, длину рабе чей части Ь = 770 мм и находим площадь облучаемой поверхности кварцевого чехла: 8тр = та! • Ь = 605 см2. (3;

Бактерицидный поток (Фбк) лампы ДБ-145 находится по формуле:

Фбк = Ебк • 8тр = 49000 мВт = 49 Вт. (4;

Допустимые толщины слоя молока (Ъ), обрабатываемого бактерицидны! потоком от лампы, можно определить по формуле:

Е6к = Е6к0.еЛ (5)

так как бактерицидный поток от лампы рассеивается в жидких средах по экспоненциальному закону Ламберта - Бугера - Вавилова, где Ебк 0, Ебк, соответственно, облученность на внешней поверхности кварцевого чехла и на глубине И; а = 0,47 см1 (принятый коэффициент поглощения молока определенной жирности).

Допускаем снижение облученности при прохождении слоя молока толщиной Ь на 30%, т.е. Е6к = 0,7Ебк0, или из формулы (5) следует: 0,7 = е аЬ. После логарифмирования получим: 1п 0,7 = -а • И (6)

Отсюда, допустимая толщина обрабатываемого слоя молока Ь = 0,75 см.

Для молока с другой жирностью, для которой а = 0,37 см"1, допустимая толщина слоя молока Ь = 0,95 см. Для ОБУ принимаем Ь = 0,75 см.

Значение среднего времени для этих установок определяют как:

^ = Ь • л • (Я2 - г2) /

(7)

где И = 2,0 см - внутренний радиус металлического корпуса из нержавеющей стали; г = 1,25 см - внешний радиус кварцевого чехла; <3 = 280 см3/с - производительность установки обеззараживания молока (1000 л/ч). Тогда, 1ср = 2 с.

Максимальным бактерицидным действием обладает УФ -излучение в диапазоне длин волн 205-315 нм, которое проявляется в деструктивно-модифицирующих фотохимических повреждениях ДНК клеточного ядра микроорганизмов, что приводит к гибели микробной клетки в первом или последующем поколении.

Реакция живой микробной клетки на УФ - излучение неодинакова для различных длин волн. Зависимость спектральной бактерицидной эффективности 1(Л.)оти от длины волны излучения X, нм приведена на рис. 4.

Рис. 4. Кривая относительной спектральной бактерицидной эффективности УФ - излучения (влияние длины волны УФ - излучения на содержание микроорганизмов в молоке) [1бк (X)] у = -0,0084х2+0,2021 х-0,4149

Установлено, что ход кривой относительной спектральной бактерицидной эффективности для различных видов микроорганизмов практически одинаков. Более чувствительны к воздействию УФ - излучения вирусы и бактерии (Е.СоН,

микрококки) в вегетативной форме. В качестве основной радиометрической (эффективной) величины, характеризующей бактерицидное излучение, является бактерицидный поток. Значение бактерицидного потока Фбк может быть вычислено с учётом относительной спектральной бактерицидной эффективности по формуле:

Ф6к =АХ^Фе,3(1_), Вт, (8)

205

где 205-К515 - диапазон длин волн бактерицидного излуче^ния, нм; Фед - значение спектральной плотности потока излучения, Вт/нм; В(А.)0ТН - значение относительной спектральной бактерицидной эффективности; АХ - ширина спектральных интервалов суммирования, нм.

Бактерицидный поток составляет определенную долю от энергетического потока Фе источника излучения в диапазоне длин волн 205-315 нм, падающего на биологический приемник, эффективно расходуемую на бактерицидное действие, т.е.: Фбк = ФеКбк,Вт, (9)

где Кбк - коэффициент эффективности бактерицидного действия излучения источника определенного спектрального состава, значение которого находится в пределах от 0 до 1.

Значение К6к для ртутных ламп НД, максимум излучения которых сосредоточен в линии 253,7 нм, равно 0,85.

При облучении микроорганизмов наблюдается экспоненциальная зависимость между числом выживших микроорганизмов N3 от начального уровня N0 и значением дозы Н5. Такой процесс при облучении поверхности аппроксимируется выражением:

Ыв=М0-е°-"- , (10)

где 05 - константа, характеризующая значение фоточувствительности данного вида микроорганизма при поверхностном УФ - облучении.

Если обозначить бактерицидную эффективность 16к, как отношение числа погибших микроорганизмов Ы„ к их начальному значению N0, выраженное в процентах и учесть, что 1ЧП = N0 - N3, то используя формулу (10), получим выражение для бактерицидной эффективности при облучении поверхности:

I*. = № /мо )•100 = [1~ е]' Ю0, % , % (11)

В табл. 1 приведены значения констант для некоторых микроорганизмов при их облучении на поверхности УФ - излучением с длиной волны 253,7 нм.

Преобразуя формулу (11) и используя взятые из табл. 1 значения констант 05, можно определить необходимое значение дозы для уничтожения микроорганизма при заданной бактерицидной эффективности 90, 95, 99% при поверх-

Таблица 1. Константы фоточувствительности для некоторых микроорганизмов при

ОБЛУЧЕНИИ ПОВЕРХНОСТИ (15, М2/ДЖ)

Бактерии Бактерии

Bacillus anthracis 0,051 Micrococcus sphaeroides 0,053

Bacillus subtilis (veg) 0,032 Salmonella enteritidis 0,058

Bacillus subtilis (spores) 0,019 Salmonella paratyphi 0,072

Campylobacter j ej uni 0,209 Salmonella typhimurium 0,029

Eberthella typhosa 0,108 Shigella sonnei 0,077

E. coli 0,077 Staphylococcus aureus 0,047

Klebsiella terrifani 0,089 Staphylococcus faecalis 0,053

Micrococcus Candidus 0,038 Staphylococcus hemolyticus 0,106

Phytomonas tumefaciens 0,023 Streptococcus lactus 0,037

ностном облучении:

Я&=1п(1-/5-10"2)/а (12)

Например, для 1бк=90% значение дозы для уничтожения бактерий Е.СоН с ст5=0,077 м2/Дж составит Н5 = 30 Дж/м2.

В табл. 2 указаны экспериментальные значения доз Н6к и бактерицидной эффективности 1бк для некоторых видов микроорганизмов при их облучении УФ - излучением с длиной волны 254 нм. Таблица 2.

Виды бактерий Дозы, Дж/м2 при бактерицидной эффективности, 16к %

90 99,9

Staphylococcus aureus (Золотистый стафилококк) 49 66

Staph, epidermidis (эпидермальный стафилококк) 33 57

Streptococcus - haemoliticus (гемолитич. стрептококк) 21 55

Str. viridans (зеленящий стрептококк) 20 38

Corynebakterium diphteria (дифтерийная палочка) 34 65

Micobakterium tuberculosis (туберкулезная палочка) 54 100

Sarcina flava (желтая сардина) 197 264

Bacillus subtilis (споры сенной па-лочки) 120 220

Escherichia coli (кишечная палочка, E.Coli) 30 66

Salmonella typhi (брюшнотифозная па^лочка) 21 41

Shigella (дизентерийная палочка) 16 42

Salmonella enteritidis (салмонелла энтеритидис) 40 76

Salmonella typhimurium (салмонелла мышиного тифа) 80 152

Pseudomonas aeruginosa (синепюйная палочка) 55 105

Enterococcus (энтерококк) 40 120

Результаты статистической обработки микробиологических анализов исходного и обработанного молока изображены на рис. 5. На горизонтальной оси отмечена доза УФ - обработки Ннорм, на вертикальной - исходное количество микроорганизмов N„/N0 (см. табл. 2).

Рис. 5. Изменение общей обсемененно-сти Е. Coli в зависимости от дозы УФ -обработки

Из рис. 5 видно, что, несмотря на начальный интенсивный спад количества микроорганизмов в 10-30 раз, начиная с дозы 80 Дж/м2 и до дозы 160 Дж/м2, гибель микроорганизмов во всех случаях несущественна. Это указывает на то, что в молоке остаются относительно устойчивые к УФ -облучению микроорганизмы. Анализ состава выживающих микроорганизмов выходил за рамки проведенных исследований.

При обработке молока следует учитывать время уничтожения наиболее стойких патогенных микроорганизмов (микрококки и кишечная палочка — E.Coli) в зависимости от температуры их нагревания (табл. 3).

На рис. 6 указаны эффективные режимы пастеризации молока в зависимости от времени обработки.

ь

Рис. 6. Зависимость режимов пастеризации молока ИК - излучением (Т°С) от времени уничтожения микроорганизмов(I, с)

20 40 Б0 80 100

Tjp-SAC

I-"i iui рядЦ I |r=1E+10e '

Температура нагрева Время уничтожения (0, сек

микрококков Е.СоИ

80 1-2 -

75 3-5 2

70 10-20 3-5

65 30-60 45-60

60 300-600 180-300

55 600-1200 900-1200

В третьей главе «Экспериментальное обоснование технологических н конструктивных параметров установки обеззараживания молока УФ - и ИК - излучением» представлены технические решения для реализации комбинированного способа пастеризации молока по результатам исследований влияния УФ и ИК - излучений на микробный, витаминный и аминокислотный состав молока и расчетам технологических и конструктивных параметров УФ - пастеризатора молока.

Для исследования воздействия УФ - излучения на тонкие слои молока было спроектировано и создано специальное устройство для обработки молока УФ -излучением амальгамной лампой НД (рис. 7), определения времени перекачивания молока с модуля УФ и ИК - излучения (использовался готовый модуль ИК

- пастеризации) и производительности установки. Эффективное воздействие УФ

- излучения для уничтожения бактерий этой лампой находится в спектральной области с Хтаах=253,7 нм. В данной экспериментальной установке типа ПМ-1-М используется амальгамная бактерицидная лампа НД мощностью 145 Вт типа ДБ-145 с ЭПРА Л-220-1x300-2222-16.

Исследованы электрические и радиометрические (табл. 4) характеристики бактерицидной лампы НД мощностью 145 Вт с комплектом (лампа +ЭПРА). Определена величина УФ - облученности в зоне С радиометром ТКА УФ-АВС на поверхности кварцевого чехла (Ебк = 8,1 Вт/м2) и эффективный бактерицидный поток — Фбк = 49 Вт.

Таблица 4. Электротехнические и радиометрические параметры бактерицидной лампы НД мощностью 145 Вт

ис,В Рл+ЭПРА УФ-С, Вт/м2 1Р,А РА сое ф

220 172 8,1 1,23 145 0,96

Примечание: межэлектродное расстояние бактерицидной лампы НД - 77 см; диаметр внешнего кварцевого стекла - 2,5 см; площадь облучаемой поверхности 605 см2.

Особенность конструкции позволяет также рассматривать один излучатель как отдельный модуль, а сама установка может состоять из одного или нескольких модулей, соединенных между собой последовательно или параллельно.

Рис. 4. Устройство для обработки молока УФ - излучением с амальгамной лампой НДмощностью 145 Вт

Это позволяет увеличить длительность обработки продукта, которая может регулироваться также создаваемым напором на входе установки. Другая особенность этого облучателя - в том, что обрабатываемый продукт находится в замкнутом рабочем объеме, вследствие чего возможно снижение интенсивности окислительных процессов, идущих на поверхности продукта.

Из табл. 4 можно определить эффективный бактерицидный поток Фбк экспериментального УФ - облучателя молока: Ф6к = Ебк х Б = 49 Вт.

На основе полученных данных была разработана функциональная схема (рис. 8), исходные требования и изготовлен экспериментальный образец установки комбинированной пастеризации молока данными излучениями (ПМ-01-М) производительностью 200-И ООО л/ч.

Рис. 8. Функциональная схема установки: 1-молочный вентиль, 2- клапан, 3 - приемный бак, 4 - УФ - излучатель, 5 - регулятор расхода молок, 6 - патрубок входной ИК - пастеризатора, 7

- поплавок, 8- камера пастеризатора, 9

- ИК-излучатель, 10 - приемная камера, 11 - выходной патрубок, 12 - насос выдачи, 13 - трубопровод выдачи, 14 -теплообменник, 15 - трубопроводы подачи, 16-насос подачи, 17 - вентиль, Т1..Т4 - датчики температуры

Молоко поступает на обработку в приемную емкость 3, где с помощью специального регулятора поддерживается его постоянный уровень. Из емкости 1 центробежным насосом 16 молоко прокачивается через теплообменник-рекуператор 14, где перед поступлением в рабочее пространство УФ - облучателя 4 оно встречным потоком обработанного продукта дополнительно подогревается (через разделительную стенку) и, пройдя тонким слоем через УФ - облучатель 4, подается в верхнюю часть рабочей поверхности ПК -облучателя 9, где нагревается ИК излучением до заданной температуры, например, 72°С. Затем насосом выдачи 12 молоко прокачивается через теплообменник-рекуператор 14, охлаждаясь в нем встречным потоком молока, поступающего на обработку. Клапан 2, в зависимости от температуры молока на выходе из рабочего пространства, направляет его в линию готового продукта или возвращает в приемную емкость 3 для повторной обработки. Установка содержит также исполнительное устройство, которое входит в состав системы управления исполнительными механизмами (клапаны, насосы), шкаф управления и персональный компьютер.

На входе ИК - пастеризатора установлен калиброванный молочный вентиль, позволяющий устанавливать необходимый расход молока. На выходе из этого пастеризатора установлен термодатчик, регистрирующий температуру молока и управляющий исполнительным механизмом трехходового клапана, который устанавливает последний в положение «выдача» или «рециркуляция». Одновременно термодатчик вырабатывает аналоговый сигнал, который поступает на силовой блок в шкаф управления уровнем мощности ИК - пастеризатора.

Работа комбинированного пастеризатора обычно осуществляется в несколько этапов: предварительная промывка технологического оборудования водой и выход на режим пастеризации; режим обработки молока УФ и ИК облучением; выход из режима пастеризации; промывка технологического оборудования моечными и дезинфицирующими растворами.

Потребляемая установкой мощность - примерно, 12 кВт; напряжение сети - 380/220 В; регулировка температуры пастеризации - от 65 до 95°С; производительность - 200-4000 л/ч.

В четвертой главе «Испытание экспериментального образца установки для обеззараживания молока УФ и ИК - излучением и технико-экономический расчет применения установки» приведены результаты экспериментальных исследований при различных режимах пастеризации молока УФ и ИК - излучениями. Испытания и исследования проводились в лабораторном корпусе ВИЭСХ и микробиологической лаборатории ВНИМИ.

На рис. 9 показан общий вид пастеризатора с УФ и ИК - облучением молока. Процесс обработки молока в установках УФ и ИК - пастеризации полностью автоматизирован, оператор только задает режимы, а система управления, с помощью современных средств электроавтоматики, перераспределяет поток продукта, контролирует параметры и архивирует получаемые значения, обеспечивает работоспособность и надежность систем управления.

Пастеризаторы с УФ и ИК - нагревом должны иметь такие преимущества, как высокий КПД преобразования электрической энергии в тепловую, снижение трудовых затрат и расхода электроэнергии в среднем на 20-40%, улучшение санитарно-гигиенических условий труда, снижение обсемененности до 3-105 КОЭ/см3.

Рис .9. Общий вид комбинированного 5 обеззараживателя с УФ и ИК - облучением молока: 1 - бак накопительный; 2 - шкаф управления; 3 - УФ-из-лучателъ; ИК-излучатель; 5 компьютер; б - насос подачи молока; 7 - теплообменник; 8 - исполнительное устройство; 9 - трехходовой кран; 10 - насос подачи молока

Исследовалось влияние УФ и ИК излучений на микробный, витаминный и аминокислотный состав молока. Объектами исследований являлись образцы молока, полученного из хозяйства Московской области.

Температурными точками, предназначенными для определения качества обеззараживания молока с помощью теплового воздействия, были выбраны температуры: 65°С, 72°С, 86°С и 92°С; количество экспериментов - 12, объем исследуемого молока - 1 ООО л.

К режимам обработки предъявлялись следующие требования:

- снижение уровня бактериальной обсемененности молока под влиянием электромагнитных волн в ИК и УФ диапазонах - не более 3-105;

- изменение свойств белка молока под влиянием электромагнитных волн в ИК и УФ диапазонах - не более 30%;

- изменение количества свободных жирных кислот молока под влиянием электромагнитных волн в ИК и УФ диапазонах не более 80%;

- повышение уровня витамина Э при УФ обработке молока - не менее

0,0002 мкг/100 г.

В табл. 5 приведены средние значения показателей микробиологической обсемененности микроорганизмами.

Таблица 5. Средние значения показателен микробиологической обсемененности микроорганизмами КОЕ/см3 в образцах по экспериментам

№ п/п Наименование образца Среднее значение

1 Исходное молоко 3,5-106

2 Молоко УФ 2,8-106

3 Молоко ИК, 860С 3-105

4 Молоко ИК+УФ, 1=650С 1,5-106

5 Молоко ИК+УФ, 1=720С 3,0-105

6 Молоко ИК+УФ, Н860С 1,9-104

7 Молоко ИК+УФ, 1=920С 1,0-104

При анализе усредненных данных получены достаточные значения для разработки Технологического регламента производства молока.

Оценка экономической эффекгивности установки обеззараживания молока УФ и ИК - излучением проводилась по методу приведенных затрат в сравнении с серийной установкой пастеризации молока ПМР-02-ВТ с электрокотлом (производитель - ЗАО «Агроживмаш-технология») с учетом исходных данных по табл. 6.

Таблица 6. Исходные данные для технико-экономического сравнения двух установок

пастеризации молока в случае типовой фермы на 400 коров

Показатель Базовый вариант Новый вариант

Тип установки ПМР-02-ВТ ПМ-01-М

Цена установки, руб. 580 000 350 000

Производительность, л/час Пб= 1000 Пн= 1000

Мощность, кВт 17 12

Напряжение питающей сети, В 380/220 380/220

Стоимость электроэнергии, руб/кВт-ч 3,0 3,0

Среднегодовой удой на фуражную корову, л 4000 4000

Годовой надой молока по ферме в 400 голов, т 1600 1600

Число часов работы в сутки, час 4,4 4,4

Число часов работы установки в год, час 1600 1600

Температура пастеризации молока, °С 86 72

Результаты технико-экономического расчета применения установки обеззараживания молока УФ и ИК - излучением приведены в табл. 7.

Таблица 7. Результаты технико-экономического расчета применения установки обеззараживания молока УФ и ИК -излучением

Показатель Базовый вариант Новый вариант

Капитальные вложения, руб. 580 000 350 000

Стоимость электроэнергии в год, руб. 81 906 57 816

Стоимость амортизационных отчислений, руб. 58 000 35 000

Приведенные затраты, руб. 226 906 145 316

Годовой экономический эффект, руб. - 81 590

В сравнении с серийной установкой типа ПМР-02-ВТ годовой экономи ческий эффект от эксплуатации установки пастеризации молока УФ и ИК облу чением благодаря сокращению расхода электроэнергии составляет порядк 81590 руб. Срок окупаемости затрат - 2,8 года.

Основные выводы

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы

1.Предлагаемая технологическая установка обеззараживания молока У' и ИК - излучениями эффективна, экологически безопасна и универсальна для об работки жидкостей с различными физико-химическими и биологическими свой ствами.

2.На основании проведенных исследований и данных, полученных пр: определении микробиологических параметров обработанного молока можно ре комендовать для дополнительной обработки молока источники УФ -излучени мощностью 145 Вт.

3.Для обеззараживания молока при его пастеризации необходимо прини мать нормируемую дозу облучения 16 мДж/см2 и обеспечивать минимально воз можный слой обрабатываемого молока 0,75 см.

4.Предлагаемый способ комбинированного обеззараживания молока УФ ИК облучением позволяет упростить процесс обработки молока при одновре менном повышении его качества вследствие образования витамина П3, снизит время пастеризации до нескольких секунд и экономить до 30% электроэнергии

5.Производственные испытания показали технико-экономическую эф фективность разработанной установки при комбинированном способе обеззара живания молока УФ и ИК - излучениями: в опытном варианте снижается обсс мененность молока на 4 порядка; снижаются энергозатраты в полтора разг

здовой экономический эффект (без учета наценки за технологический эффект в тедствие образования витамина D3) составляет 81590 рублей. Применение уста-овки типа ПМ-01-М для обеззараживания молока в фермерских хозяйствах озволит окупить капитальные вложения в течение 4-х лет.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Кручинин П.Г., Летаев С.А., Малышев В. В. [Текст]/ Энергосберегаю-[ис источники для освещения птицы при клеточном содержании // Техника в гльском хозяйстве - 2009. - № 5,- С.20-22.

2. Летаев С.А. [Текст]/ Интегральная обработка молока УФ и ИК -излуче-ием.// Сельский механизатор - 2011. - № 5.- С.30-31.

3. Летаев С. А. [Текст]/ Инфракрасный обогрев молодняка // Сельский ме-анизатор - 2011.-№9,-С.26-27.

Публикации в других изданиях:

4. Кузьмичев А.В. Комбинированный способ пастеризации молока ин-ракрасным и ультрафиолетовым излучением [Текст] /Летаев С.А., Малышев .В., Тихомиров Д.А.//Труды 7-й Международной научно-технической конфе-енции «Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной яергетике. Ч.З-М., ВИЭСХ,2010,С.255-261.

5. Летаев С.А. Технико-экономическое обоснование установки пастери-щии молока инфракрасным и ультрафиолетовым излучением [Текст] / Малышев . В.// Труды 7-й Международной научно-технической конференции «Энерго-берегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. Ч.З-М., ИЭСХ,2010,С. 261-266.

6. Лямцов А.К. Технико-экономическое сравнение вариантов освещения тицы при клеточном содержании [Текст]/Летаев С.А., Малышев В.В., Гри-шн К.М. // Труды 7-й Международной научно-технической конференции «Энер-эсберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. Ч. 3.1., ВИЭСХ, 2010, С.270-276.

7. Летаев С.А. Экспериментальные исследования при различных режимах астеризации молока УФ и ИК - излучениями [Текст]/Малышев В.В.// Материалы -й международной научно-практической конференции. С-Петербург, 17-19 мая, 3 2011, С. 238-243.

8. Летаев С.А. [Текст]/Технологическое устройство регулирования обо-рева молодняка животных./ Perfect Agriculture. Технологии в животноводстве. № ,2011, С. 14-15.

Подписано в печать 20.08.12 г. Формат 60x90/16 Уч.-изд. л. 2,4

Тираж 120 экз. Заказ №1!

Отпечатано в ОО и ВП ОАО «РОСЭП» 111395, г. Москва, Аллея Первой Маевки, 15

Список основных обозначений и сокращений, использованных в работе. 4 ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Требования к качеству молока и молочной продукции.

1.2. Физико-химические свойства молока.

1.3. Анализ существующих способов пастеризации молока.

1.4. Цель и задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УФ И ИК - ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА.

2.1. Исследование оптических свойств молока под воздействием

УФ - излучений.

2.2. Методика расчета необходимых параметров устройства

УФ - обеззараживания молока.

2.3. Исследование воздействия УФ и ИК - излучения на микробный, витаминный и аминокислотный состав молока.

2.4. Выводы по главе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И

КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ ОРГАНОВ УСТАНОВКИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА УФ И

ИК - ИЗЛУЧЕНИЕМ.

3.1. Разработка и экспериментальное обоснование параметров устройства для УФ-обработки молока.

3.2. Разработка и изготовление экспериментального образца установки для обеззараживания молока УФ и ИК - излучением производительностью 200-1000л/ч.

3.3. Выводы по главе.

4. ИСПЫТАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА УФ И

ИК - ИЗЛУЧЕНИЕМ.

4.1. Результаты экспериментальных исследований при различных режимах обеззараживания молока УФ и ИК - излучением.

4.2. Технико-экономические и технологические показатели установки обеззараживания молока УФ и ИК - излучением.

4.3. Выводы по главе.

Молочная промышленность в настоящее время является высокоразвитой отраслью народного хозяйства, оснащенной современным оборудованием. Широко внедряются новые способы обработки и переработки молока, интенсификации и автоматизации процессов, непрерывные методы производства молочных продуктов.

В России 70-80 лет назад основными отраслями переработки молока было маслоделие и частично сыроделие. В настоящее время выделились самостоятельные отрасли молочной промышленности: маслодельная, сыродельная, молочноконсервная, производство молочных продуктов(питьевое молоко, сливки, кисломолочные продукты, мороженое), детских молочных продуктов, заменителей цельного молока и др.

Давно сложившаяся традиционная технология молочных продуктов претерпела значительные изменения в процессе интенсификации и механизации производства. Для этого потребовалось проведение глубоких исследований влияния различных факторов, технологических параметров на изменение компонентов молока, формирование товарных свойств молочных продуктов.

Важнейшей составляющей поддержания здоровья нации является также дальнейшее развитие системы лечебно-профилактического питания для населения России и в первую очередь для детей. В ряду основополагающих компонентов сбалансированного лечебного питания исключительное место по своей полезности среди продуктов животного происхождения занимает молоко. Это обусловлено благоприятным природным соотношением входящих в состав молочного белка аминокислот, особыми свойствами молочного сахара, витаминным и минеральным составом молока.

Развитие молочного производства определяет необходимость разработки и внедрения новых, нетрадиционных технологий эффективной бактерицидной обработки молока для максимального сохранения в нем биологически ценных веществ и его органолептических качеств. Эти факторы наиболее значимы при приготовлении молочных продуктов детского и лечебно-профилактического питания. В настоящее время более, чем в 20-ти технологических процессах сельскохозяйственного производства используется УФ-излу-чение. Это установки обеззараживания питьевой воды и питательных растворов для гидропонного выращивания зеленных овощей, животноводческих стоков, для стерилизации посуды и тары, транспортных молочных емкостей, для обеззараживания воздуха в овощехранилищах, для обработки семян и т.п.

Одной из таких нетрадиционных технологий может стать, после всестороннего исследования, нетепловая обработка молока, которая основана на использовании бактерицидных свойств УФ- излучения. Кроме того, при облучении молока УФ- излучением определенного спектра, в нем интенсивно происходит синтез витаминов группы Б, который в значительной степени предотвращает развитие рахита у детей. Работы в этой области ведутся давно и считаются перспективными.

Комбинированная обработка молока с помощью УФ- и ИК- излучений является относительно новым процессом, исследованию которого посвящена данная работа.

Тепловые парогенераторные установки и, возможно, пригорание молока приводят к денатурализации белка, частичному разрушению витаминов, выпадению в осадок минеральных солей. Нагревание молока выше 70 °С инактивирует основные ферменты, участвующие в пищеварительных процессах.

Второй способ тепловой обработки основан на лучистом нагреве с помощью ИК источников ОИ. В данном случае в значительной мере снимается проблема пригорания молока, отпадает необходимость в парогенераторных установках.

Известен и применяется по литературным данным в ряде стран метод пастеризации с помощью УФ-излучения («Актинизация») [17]. Основные преимущества его в малом (2-3 с) времени обработки молока, малой девитаминизации и, более того, в увеличении содержания витамина О в молоке. Однако, при дозах УФ-излучения обеспечивающих 99% обеззараживания, наблюдается изменение вкуса молока; оно приобретает слабый привкус пастеризованного молока. Таким образом, ни один из применяемых способов пастеризации ОИ не обеспечивает 100% сохраняемости вкусовых качеств молока.

Учитывая, что процесс обеззараживания молока обеспечивается в широком интервале температур (для РЖ от 65° до 95 °С и нормируемой дозы УФ-облучения 16 мДж/см2), представляется целесообразным совместить оба вида излучения в данном технологическом процессе. Следует также подчеркнуть, что, исходя из современных представлений и появления новых бактерицидных амальгамных ртутных ламп НД, возможности УФ-излучения для пастеризации молока ещё не в полной мере изучены. УФ бактерицидная лампа - искусственный источник ОИ, в спектре которого имеется преимущественно УФ бактерицидное излучение в диапазоне длин волн 200 - 280 нм с А^макс = 253,7 нм и ртуть находится в связанном состоянии в виде амальгамы (висмут, свинец, ртуть). Появление в настоящее время безозонных бактерицидных ламп НД мощностью 100 - 300 Вт, изготавливаемых на московском НПО «ЛИТ», позволило вновь вернуться к исследованию данной проблемы. Данная работа посвящена использованию УФ-облучения молока в составе ИК-пастеризатора.

Исследование воздействия УФ и ИК-излучений на микробный, витаминный и аминокислотный состав молока является обязательным этапом для разработки и совершенствования оборудования для УФ и ИК-обработки молока. Исследования и разработки выполнялись автором в соответствии с контрактом с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации № 1280/13 от 02 сентября 2008 года (Департамент пищевой и молочной промышленности) «Разработать нанотехнологии воздействия электромагнитных волн в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах на биологически активные вещества молока» в течение 2008-2009 годов.

Исследования по обработке молока УФ и ИК- излучением потребовали использования достижений современной науки и техники (светотехники, микробиологии, технологии обработки молока и других), поэтому они проводились в содружестве с несколькими научными учреждениями и организациями: ВНИМИ, НПО «ЛИТ» и др.

Применение новейших достижений при проектировании и изготовлении электротехнического оборудования для пастеризации молока, в химии и физике молока, раскрытие сущности физико-химических и биохимических процессов производства молочных продуктов, являются основой создания новых видов продуктов, повышения их питательной и биологической ценности, стойкости при хранении, способствует прогрессу в молочной промышленности.

Целью работы является научное обоснование параметров установки воздействия УФ и ИК-излучения на свойства молока, режимов обработки молока УФ и ИК - излучением для уменьшения бактериальной обсемененности до 3-105 КОЕ/см3 и снижения расхода электрической энергии на обеззараживание молока.

Основные научные задачи работы;

1. Провести аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по пастеризаторам молока и по оценке воздействия электромагнитных излучений в УФ и ИК - диапазонах на свойства молочного продукта.

2. Разработать методику и метод энергосбережения при комбинированном обеззараживании молока УФ и ИК-излучением, направленные на снижение потребления электрической энергии и получение молока первого сорта.

3. Провести экспериментально-теоретические исследования параметров устройства УФ - обеззараживания молока.

4. Разработать исходные требования и определить технологические показатели установки для обработки молока УФ и ИК - излучениями (снижение обсемененности молока на один порядок и температуры нагрева до

72°С).

5. Провести производственные испытания экспериментального образца комбинированного УФ и ИК- пастеризатора молока и технико-экономическую оценку эффективности применения установки обеззараживания молока УФ и ИК-излучением.

Объектом исследования является экспериментальный образец комбинированного УФ и ИК- пастеризатора молока, технические средства УФ- облучения, технологические мероприятия и молоко.

Предмет исследования: технологические линии обработки молока, которые основаны на использовании бактерицидных свойств УФ- излучения совместно с ИК- пастеризатором.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

1. Теоретическими и экспериментальными исследованиями обоснованы эффективные режимы и параметры обеззараживания молока устройством УФ- облучения (нормированная доза облучения - 16 мДж/см2, коэффициент поглощения молока - 0,37.0,47 см"1, бактерицидный поток - 49 Вт, облученность - 8,1 Вт/м2, слой обрабатываемого молока - до 0,75см, время обработки - менее 2 с, снижена температура пастеризации молока до 72°С).

2. Разработаны методы расчета параметров используемой безозонной амальгамной бактерицидной лампы НД мощностью 145 Вт для устройства УФ-обработки молока.

3. Предложен комбинированный способ обеззараживания молока УФ и ИК- излучениями; получено молоко 1-го сорта (снижена обсеменен-ность до 3-105 КОЕ/см3 при температуре 72 °С).

4. Разработаны рекомендации и исходные требования на установку комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК-излучением.

5. Определена экономическая эффективность установки комбинированной пастеризации молока УФ и ИК- излучением в 81590 рублей для фермы на 400 коров за год и получен технологический эффект в виде витамина Бз.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. УФ - облучатель с бактерицидной амальгамной лампой НД мощностью 145 Вт для установок комбинированного обеззараживания молока УФ и РЖ- излучением с минимально возможной толщиной слоя молока до 0,75 см.

2. Методика расчета и выбора эффективных технологических параметров устройства для УФ - обработки молока (коэффициента поглощения молока а = 0,37-0,47 см"1, бактерицидного потока излучения - 49 Вт, бактерицидной облученности - 8,1 Вт/м2, нормированной дозы облучения - 16 мДж/см2, времени обработки - менее 2с), позволяющего снизить затраты электроэнергии на 30% и обсемененность молока до 3-105 КОЕ/см3.

3. Результаты производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности установки обеззараживания молока УФ и ИК- излучением.

Практическая значимость исследования:

- снижены затраты электроэнергии и получены молочные продукты с заданными свойствами при интегральной обработке молока УФ и ИК- излучением;

- разработано устройство обеззараживания молока УФ - излучением для использования в комбинированном режиме облучения с ИК- пастеризатором, позволяющее снизить обсемененность до 3-105 КОЕ/см3 при температуре 72°С;

-разработаны исходные требования на установку обеззараживания молока УФ и ИК - излучением производительностью до 1 ООО л/час; годовой экономический эффект от реализации результатов работы составляет 81590 рублей для молочной фермы на 400 коров.

Апробация результатов исследования:

Основные положения и результаты диссертационной работы использованы при подготовке отчетов по контракту № 1280/13 от 02 сентября 2008 года с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации (Департамент пищевой и молочной промышленности) в 2009 году; доложены и одобрены на 7-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (18 - 19 мая 2010 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ).

Публикации;

Основные положения и результаты диссертации изложены в 8 печатных работах, в том числе в трех работах в издании, указанном в Перечне ведущих журналов и изданий ВАК Минобразования и науки РФ.

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на 110 страницах текста, содержит 17 рисунков, 15 таблиц и 5 приложений на 36 страницах. Список использованной литературы включает 109 наименований, из которых 6 на иностранных языках.

Общие выводы

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Предлагаемая технологическая установка обеззараживания молока УФ и ИК- излучениями эффективна, экологически безопасна и универсальна для обработки жидкостей с различными физико-химическими и биологическими свойствами.

2. На основании проведенных исследований и данных, полученных при определении микробиологических параметров обработанного молока можно рекомендовать для дополнительной обработки молока источники УФ-излуче-ния мощностью 145 Вт производства Московского НПО «ЛИТ».

3. Для обеззараживания молока при его пастеризации необходимо принимать нормируемую дозу облучения 16 мДж/см2 и обеспечивать слой обрабатываемого молока до 0,75 см.

4. Предлагаемый способ комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК облучением позволяет упростить процесс обработки молока при одновременном повышении его качества вследствие образования витамина Оз, снизить время пастеризации до нескольких секунд и экономить до 30% электроэнергии.

5. Производственные испытания показали технико-экономическую эффективность разработанной установки при комбинированном способе обеззараживания молока УФ и ИК -излучениями: в опытном варианте снижается обсемененность молока на один порядок; снижаются энергозатраты на 30%; годовой экономический эффект (без учета наценки за технологический эффект вследствие образования витамина Э3) составляет 81590 рублей. Применение установки типа ПМ-01-М для обеззараживания молока в фермерских хозяйствах позволит окупить капитальные вложения в течение 4-х лет.

1. Алимжанова Л. В. Молочное дело.- Акмола, 1997.-22 с.

2. Аль-Хайдар М. Я. Влияние УФ облучения молока на образование витамина О и качества масла // Сб. научн. тр. /Моск. веет, акад., 1978 (1979).-Т.101.-С. 96-98.

3. Аюпова А., Установка для пастеризации и охлаждения молока / А. Аюпова, X. С. Рахимов // Молочная промышленность.-1977.-№3.-С.13-15.

4. Баев А. А. Биотехнология: Принципы и применение.- М.: Мир, 1988.- 470 с.

5. Банникова Л. А. Микробиологические основы молочного производства/ Л. А. Банникова, Н. С. Королева, В. Ф. Семенихина.-М: Агропром-издат. 1987.-398 с.

6. Барабанщиков Н. В. Качество молока и молочных продуктов.-М.: Колос, 1980.-225 с.

7. Бартон Г. Стерилизация молока / Г. Бартон, Дж. Пиен, Г. Тиеулин.-М.: Пищевая промышленность, 1972.- 80 с.

8. Бейкер А. Фотоэлектронная спектроскопия (пер. с англ.) / А. Бейкер Д. Беттеридж.- М.: Мир, 1975.-200 с.

9. Белоусова Н. Бактерицидные свойства молока // Молочная промышленность,-1 962.-№4.-С.38-40.

10. Богданов В. М. Микробиология молока и молочных продуктов. Изд. перераб. и доп.- М.: Пищевая промышленность, 1969.- 356 с.

11. Бредихин С.А. Технологическое оборудование предприятий молочной промышленности. / С.А. Бредихин. М.: Колос, 2010. - 408 с.

12. Вассерман А.Л. Проектирование и эксплуатация ультрафиолетовых бактерицидных установок. / Под ред. Поповского Ю.Б. / 2009, 56 с.

13. Галат Б. Ф. Справочник по технологии молока.- Киев: Ураджай, 1980.-215 с.

14. Гаврюшенко Б.С., Харитонов В.Д. Некоторые аспекты обработки молока ультрафиолетовым излучением. / Хранение и переработка сельхозсы-рья, № 8, 2004. С. 17-18.

15. Гендрикс Г. Отражение света молоком // XVI Междунар. конгресс по молочному делу.- М., 1963.- С. 38-39.

16. Герцен Е. И. Изменение качества молока при пастеризации // Молочное и мясное скотоводство.- киев, 1966.- Вып. 4.-С.90-96.

17. Гизатулин В. Г. Исследование по обоснованию параметров и режимов установок для обработки молока инфракрасным излучением ни животноводческих фермах // Дисс. канд. техн. наук, М.: ГНУ ВИЭСХ, 1975 -144 с.

18. Головкина Н. А. Применение ультрафиолетовых лучей в пищевой промышленности.- Л., 1958.- 173 с.

19. Гриневич И. И. Производство качественного молока // Зоотехника. 1991, №5,- С. 76-77.

20. Гриневич И. И. Что определяет качество молока // Животноводство. 1993, №9.- С.18-19.

21. Гриценко Т. Т. Об эффективности пастеризации и стойкости питьевого молока / Т. Т. Гриценко, В. В. Суровцева // Молочная промышленность. 1972.-№ 10.-С. 11-13.

22. Грудская О. М. Влияние технологической обработки на содержание в молоке витамина С // Молочная промышленность.- 1964.- №9.-С. 13-16.

23. Данкверт А. Пути улучшения качества молока / А. Данкверт, Л. Зернаева // Молочное и мясное скотоводство .- 2003.- №8.- С.2-6.

24. Дегтерев Г. П. Совершенствование системы ведения молочного животноводства в России // Переработка молока.- 2005.- №10.- С.27-28.

25. Дербенева Д. Динамика потребительского спроса на молочные продукты // Экономист.- 1993.- №3.-С.78-79.

26. Жилинский Ю.М., Свентицкий И.И. Электрическое освещение и облучение в сельскохозяйственном производстве. / М.: Колос, 1968, 303 с.

27. Земба С. Биотехнологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности // Международный сельскохозяйственный журнал.- 1987.-№3.- С.27-29.

28. Зорин H.H. Мобильная пастеризационная установка. // Техника в сельском хозяйстве. 1982. № 7. - С. 60-61.

29. Ильиных А. А. Повышение эффективности использования средств УФ облучения // Механизация и электрификация с.-х.- 1987.- № 2.-С. 47-50.

30. Инихов Г. С. Биохимия молока и молочных продуктов. М., 1962.295 с.

31. Карташова В. М. Действие УФ лучейц на выживаемость в молоке, обрате термостойкой, психофильной и споровой групп бактерий / В. М. Карташова, В. А. Чумаченко // Науч. тр. / ВНИИВС.- 1978.- Т. 10.- С.7-11.

32. Карташова В. М. Санитария молока.- Д.: Колос, 1980.- 181 с.

33. Кириллова А. Системы высокотемпературной обработки молока // Переработка молока.- 2005.- №1.-С. 16-17.

34. Кодинец Г. А. Влияние УФ обработки молока на бактерицидные свойства молока и молочных продуктов // Материалы второй Всероссийской конференции по физ. и биохим. основам повышения продуктивности с.-х. ж.-х. Боровск.- 1963.- С.26.

35. Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение. -М.: Агропромиздат, 1991, 231 с.

36. Кон С. К. Влияние тепловой обработки и света на состав и качество молока // Молочная промышленность.- i960.- №3.-С. 46-47.

37. Костенко H. П. Обеззараживание молозива коров УФ излучением / Н. П. Костенко, В. А. Чумаченко // Науч.-тех. Бюл. Центр, н.-и. и проект.-технологический институт механизации и электрификации животноводства Юж. зоны СССР.- 1986,- Т.26.-С.92-94.

38. Коряжнов В. П., Байрак В.А., Белоносов В.М. Пастеризация молока ультрафиолетовыми лучами. Ветеринария. - 1967, № 1, - С. 91-93.

39. Кравчук Е. П. Влияние ультрафиолетового облучения на антибактериальные свойства молока. Труды ВНИИВС. -M., 1968, т. 30. С.134-139.

40. Краснокутский Ю.В. Механизация первичной обработки молока. / Ю.В. Краснокутский. -М.: Колос, 1979. 342 с.

41. Круглова JT. А. Влияние термической обработки на некоторые биологические свойства молока// Доклады ТСХА. -1976. Вып. 215. -С. 44-47.

42. Кук Г. А. Процессы и аппараты молочной промышленности. -М: Пищепромиздат, 1973. 767 с.

43. Кук Г. А. Пастеризация молока. -М.: Пищепромиздат, 1951. 240 с.

44. Кручинин П. Г., Летаев С. А., Малышев В. В. Текст./Энергосбере-гающие источники для освещения птицы при клеточном содержании // Техника в сельском хозяйстве 2009. - № 5.- С.20-22.

45. Летаев С. А. Технико-экономическое обоснование установки пастеризации молока инфракрасным и ультрафиолетовым излучением Текст. /

46. Малышев В. В.// Труды 7-й Международной научно-технической конференции «Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике. Ч.З-М,ВИЭСХ,2010. с. 261-266.

47. Летаев С. А. Экспериментальные исследования при различных режимах пастеризации молока УФ и ИК-излучениями Текст./Малышев В. В.// Материалы 7-й международной научно-практической конференции. С-Петер-бург, 17-19 мая, т.З 2011. С. 238-243.

48. Летаев С. А. Текст./Технологическое устройство регулирования обогрева молодняка животных./ Perfect Agriculture. Технологии в животноводстве. № 2, 2011. С. 14-15.

49. Летаев С. А. Текст./ Интегральная обработка молока УФ и ИК-из-лучением.// Сельский механизатор 2011. - № 5.- С. 30-31.

50. Летаев С. А. Текст./ Инфракрасный обогрев молодняка. // Сельский механизатор. 2011, № 9. -С. 26-27.

51. Лукьянович П. А. Ультрафиолетовая обработка молока./П. А. Лу-кьянович, А. В. Марков // Молочная промышленность.- 2000.- №10. -С. 45-46.

52. Лысиков В. Н. Установка холодной пастеризации молока / В. Н. Лы-сиков, Н. Н. Ющенко // Механизация и электрификация с.-х.-1989 №3. С.20.

53. Магда В. И., Симонов Б. П. Оптические свойства молока в ИК области спектра. Научно-технический бюллетень, НИИЖ, Харьков, 1972, № 3. С.53-56.

54. Магда В. И. Выбор режима источника инфракрасного излучения пастеризации молока. // Молочная промышленность.- 1973.- №5.- С.58.

55. Магда В. И. Оптические свойства молока в инфракрасной области спектра/ В. И. Магда, Б. П. Симонов // Науч.-тех. бюл. /НИИЖ Лесостепи и Полесья/.- Харьков, 1972.- №3.- С.53-56.

56. Мастаков H. Н. Технология тепловой обработки молока.- Киев: Высш. школа.- 1990.- 167 е.: (Учебное пособие для учащихся ср. спец. учеб. заведений, в ПТУ слушателей повыш. квалиф.).

57. Матвеев А.Б., Лебедкова С.М., Петров В.И. Электрические ОБУ фотобиологического действия. / Под ред. С.П. Решенова. -М.: Моск. энерг. ин-т, 1989.-92 с.

58. Мейер А. Ультрафиолетовое излучение (пер. с нем.) / А. Мейер, Зейтц.- М.: Иностранная литература, 1952.- 575 с.

59. Молев Н. А. Спектральные свойства молока и некоторые вопросы их применения в практике животноводства: Автореф. дис. канд. с.-х. наук.-Оренбург, 1970.- 18 с.

60. Морозов ЕМ., Опокина Н.П. Экономическая эффективность способов обработки молока на фермах и комплексах. // Животноводство, 1978, №5.-С. 75-83.

61. Мохова 3. Г. Влияние инфракрасных лучей на микрофлору молока. Товароведение животного сырья. Сборник научных трудов MBA, М., 1973, т. 68, -С.157-158.

62. Мохсен 3. М. Разработка новых критериев качества молока и молочных продуктов: Дисс. канд. биол. наук.- М., 1998.- С.20-45.

63. Мянд А. Э. Установка для пастеризации молока инфракрасным нагревом. / А. Э. Мянд, В. И. Магда, Б. П. Симонов // Молочная промышленность." 1980.- №9.- С.6-8.

64. Опарина Л. Н. Влияние ультрафиолетовых лучей на физико-химические и технологические свойства молока. Автореф. канд. дисс. М., 1968, 20 с.

65. Овчинников А. И. Биохимия молока и молочных продуктов./ А. И. Овчинников, К. К. Горбатова. Л.: Изд. Лен. университета, 1974.- 260 с.

66. Охрименко О. В. Лабораторный практикум по химии и физике молока / О. В. Охрименко, К. К. Горбатова, А. В. Охрименко.- СПб.: ГИОРД. 2005, 256 с.

67. Панкова Г.Е. Гигиеническая оценка и качество молока. // Сельское хозяйство за рубежом, 1983, № 6. С. 44

68. Пасхин Н. Н. Методы очистки молока. // Переработка молока. -2005, № 12.-С. 10-12.

69. Патент № 2386374. «Установка для обработки жидкости инфракрасным и ультрафиолетовым излучением в тонком слое» от 20.04.2010. Бюл. № 11. / Кузьмичев A.B., Тихомиров Д.А., Ламонов Н.Г., Лямцов А.К., Расстригин В.Н., Малышев В.В.

70. Патент № 2396059. «Модульная установка для обработки жидкости инфракрасным и ультрафиолетовым излучением тонкого слоя» от 10.08.2010. Бюл. № 22. / Кузьмичев A.B., Ламонов Н.Г., Тихомиров Д.А., Лямцов А.К.

71. Пичак В. А. Изменение соотношения белковых фракций казеина в молоке при пастеризации ультрафиолетом. / В. А. Пичак, В. Н. Сухинин // Науч.-техн. Бюл. по мех. и электриф. животноводства.- 1976.- Вып.5. С. 101105.

72. Племянникова Н. Н., Ультрафиолетовое излучение (Биологическое действие и гигиеническое значение) / Н. Н. Племянникова, П. Ф.Людвинская.- М., Медицина, 1966. 381 с.

73. Полищук П. К. Определение энтерококков для оценки эффективности пастеризации молока // Молочная промышленность.- 1971.- №7.- С. 21-22.

74. Радько В. А. , Шурыгин Б. Я Исследования и испытания установки для обработки молока инфракрасными лучами. -В кн.: Сб. научных трудов ВИЭСХ. -М., 1976, 38, -С. 138-152.

75. Рогов И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. -М.: Агропромиздат, 1988. 272 с.

76. Ростроса Н. К. Технология молока и молочных продуктов.- М. Пищевая промышленность, 1980.- 191 е.: (учебное пособие).

77. Серветник Чалая Г. Влияние пастеризации молока инфракрасными лучами на его пищевую ценность. // Молочное и мясное скотоводство 1983.- №1.- С.15-16.

78. Симонов В.В., Петухов В.И., Магда В.И. Разработка устройства для обеззараживания молока инфракрасным нагревом. В кн.: Пути интенсификации производства молока и говядины на Украине. Тезисы докладов, Харьков, 1985.-С. 74-75.

79. Скурихин В. Н. Анализ витаминов Т>г и в их препаратах методов микроколоночной высокоэффективной жидкостной хроматографии с УФ детекцией. // Бюлл. ВНИИ физиологии, биохимии и питания с.-х. ж.-х Боровск, 1992,-Вып. 1.-С.70-76.

80. Соколова Т. В. Изменение содержания некоторых витаминов при тепловой обработке молока и его хранении.- М.: ЦНИИТЭИ, 1971.- 20 с.

81. Справочная книга по светотехнике. / Под ред. Ю.Б. Айзенберга. М.: -952 с.

82. Тепел А. Химия и физика молока.- М.: Пищевая промышленность 1979.- 624 с.

83. Твердохлеб Г.В. Технология молока и молочных продуктов. /Г.В. Твердохлеб. М.: Агропромиздат, 1991. - 463 с.

84. Твердохлеб Г.В., Раманаускас Р.И. Химия и физика молока и молочных продуктов. М.: Де Ли принт, 2006. - 306 с.

85. Улитенко А. Зависимость качества молока от бактериальной об-семененности // Мясное и молочное скотоводство.- 2003.- №2.- С.37-39.

86. Фомичев Ю. П. Методический практикум по контролю качества молока и молочных продуктов / Ю. П. Фомичев, Е. Н. Хрипякова, Н. Гуден-ко.- Дубровицы, 2003.- 171 с.

87. Харитонов В.Д., Евдокимов И.А., Алиева J1.P. Тенденции развития технологий переработки молока. / Молочная промышленность, № 10, 2003.-С. 5-8.

88. Харитонов В.Д., Глебов J1.A., Карамзин A.B. К вопросу о холодной пастеризации жидкостей на сепараторах. / Хранение и переработка сель-хозсырья, № 7, 2004. -С. 4.

89. Ципес Н.Д. Трубчатый нагреватель для молока. // Молочная промышленность, 1971, № 12,-С. 14-15.

90. Цой Ю.А. Процессы и оборудование доильно-молочных отделений животноводческих ферм. -М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. 424 с.

91. Черных Е.А. Влияние ультрафиолетовой обработки молока коров на его биохимические, технологические и гигиенические свойства. / Авто-реф. канд. дисс. Дубровицы, М.О., 2006. - 22 с.

92. Чумаченко В. А. Холодная пастеризация молока с применением ультрафиолетовых лучей. В кн. «Комплексная механизация и автоматизация производственных процессов в животноводстве и овцеводстве», ЦНИМЭСХ, Днепропетровск, 1970. -С.26-28.

93. Чумаченко В. А. Применение УФ-излучения для обеззараживания молока./ В. А. Чумаченко, В. Н. Сухинин, В. А. Пичак, И. И. Ковалев.- М. Наука. 1975. -212с.

94. Чумаченко В. А. Содержание витамина D в молоке в зависимости от дозы УФИ. / В. А. Чумаченко, В. Н. Сухинин В. А., Пичак В. А. // Животноводство.-1976.- №1. -С.75-76.

95. Чумаченко В. А. Холодная пастеризация молока. / В. А. Чумаченко, Н. П. Костенко, Т. В. Деундяк // Механизация и электрификация сельского хозяйства.- 1989.- №5,- С.29-30.

96. Шидловская В. П. Ферменты молока.- М.: Агропромиздат, 1985.153 с.

97. Шурчкова Ю. А. Экологически чистый способ снижения кислотности и повышения качества молочного сырья // Переработка молока.- 2005. №8.- С.30-31.

98. Экспериментальные исследования бактерицидной обработки молока ультрафиолетовым излучением. Отчет о научно-исследовательской работе ЗАО «Агрокомплект», ООО «ОКБ Луч».- Подольск, 2003.- 18 с.

99. Экономическая эффективность механизации сельскохозяйственного производства. Шпилько А. В., Драгайцев В. И., Морозов Н. М., Кабанов П. Н., Миндрин А. С., Цой Л. М., Москва, 2001. 346 с.

100. Ashton T.R. World animal, review, 1977, No 23, p. 37-43 Ultra-high temperature treatment of milk and milk products.

101. Hall C. Equipment for vacuum treatment of milk.- J. Dairy Sci., 1959, 42, 3. -C. 557-561.

102. Moats W.A. Chemical changes in bacteria heated in milk as related to los of stainability- J. Dairy Sc.,1961, Vol.44, №8, p.1431-1439.

103. Shillam K.W.G.JDawson D.A. and Roy J.H.B. The effect of heat treatmen on the nutritive value of m i 1 k for the young calf. Brit. J. Nutrit, I960, V. 14, №3, p. 403-412.

104. Stability of Vitamin D in fluid milk. S. A. Schneider and J.J. Warthesei University of Minnisota, St. Paul. 298G, Teaming Up for animal Agricultre, July 31-August 4, 1989.

105. Zadow J.G. Studies on the ultra-heat treatment of milk Part I. Comparison of direct and indirect heating of Whole milk «Austral J Dairy Technol».1969, №2.-P. 44-49.

106. Нормативно-техническая документация:

107. ГОСТ P 52054-2003 13264-88 «Молоко натуральное коровье сырое.1. ТУ»;

108. ГОСТ Р 52090-2003 «Молоко питьевое. ТУ»;

109. ГОСТ 25754-85 «Молоко. Методы измерения температуры»;

110. ГОСТ 28283-89 «Молоко коровье. Метод органолептической опенки запаха и вкуса»;

111. ГОСТ 3624-92 «Молоко и молочные продукты. Титриметрические. методы определения кислотности»;

112. ГОСТ 3625-84 «Молоко и молочные продукты. Методы определения плотности»;

113. ГОСТ 9225-84 «Молоко и молочные продукты Методы микробиологического анализа»;

114. ГОСТ 26809-86 «Молоко и молочные продукты. Правила приемки методы отбора и подготовки проб к анализу».