автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Обработка молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением

На правах рукописи

Астапов Андрей Юрьевич

ОБРАБОТКА МОЛОКА НИЗКОИНТЕНСИВНЫМ ИНФРАКРАСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ОКТ 2013

005534773

Мичуринск - наукоград РФ, 2013

005534773

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО МичГАУ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гордеев Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: Гришин Иван Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени ГГ.А. Костычева», кафедра электротехники, электрооборудования и автоматики, профессор

Богоявленский Владимир Михайлович,

кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет — МСХА имени. К.А. Тимирязева», кафедра информационно-управляющих систем, профессор

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский

институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится «18» октября 2013г. в 12— часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корп. 1, ауд. 206 «Зал заседаний диссертационных советов».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МичГАУ. Объявление о защите и текст автореферата размещены на сайтах ФГБОУ ВПО МичГАУ vvww.mgau.ru и Министерства образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан « » сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технический наук, доцент . В.Ю. Ланцев

-ъг—

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Необходимость совершенствованию технологии производства молока обусловлена значительным объемом операций, большой энергоемкостью процессов и высокими требованиями к качеству молока.

Молоко является быстропортящимся продуктом и многие хозяйства теряют прибыль из-за того, что оно не соответствует высшему сорту. Одним из основных критериев оценки качества молока по ГОСТ Р 52054-2003 является кислотность. На сегодняшний момент на животноводческих молочных фермах поддержание кислотности на требуемом уровне осуществляется охлаждением молока. Благодаря охлаждению в молоке приостанавливается развитие микроорганизмов, увеличивается бактерицидный период, что способствует увеличению времени его хранения.

В настоящее время в используемом парке холодильных машин на охлаждение 1 т молока расходуется до 40 кВт-ч электроэнергии, что существенно сказывается на его себестоимости и требует разработки и реализации ресурсо- и энергосберегающих технических решений.

В этой связи разработка новых ресурсосберегающих технологий и оборудования, направленных на снижение затрат топлива и электроэнергии, обеспечивающих повышения качества молока имеет определяющее значение.

Одной из таких нетрадиционных способов может стать «нетепловая» обработка молока, основанная на использовании свойств низкоинтенсивного инфракрасного излучения длиной волны 890нм. Низкоинтенсивное излучение это световые потоки низкой интенсивности, не более 100 мВт/см2, что сопоставимо с интенсивностью излучения Солнца на поверхности Земли в ясный день.

Степень разработанности. Общим вопросам обработки сельскохозяйственной продукции электромагнитными полями посвящены работы Аксеновского A.B., Айзенберга Ю.Б., Богоявленского В.М., Бородина И.Ф., Брижанского JI.B., Будаговского A.B., Воробьева В.А., Гинзбурга A.C., Гришина И.И., Гордеева A.C., Корчагина Ю.В., Кириллова Н.К., Кудрявцева И.Ф., Леонова B.C., Лямцова А.К., , Рогова И.А., Стребкова Д.С., Сычевой О.В., Нетушила A.B., Лыкова A.B., Тарушкин В.И., Цугленка Н.В. и др.

Решены ряд теоретических и прикладных задач в области обоснования параметров и режимов установок для обработки молока электромагнитными полями. Исследованиями этой проблеме занимался ряд отечественных ученых: Будаговский A.B., Глизатулин В.Г., Пономарев А.Н., Твердохлеб Г. В., Пахомов В.И., Вассерман А.Л., Шидловская В. П., Гаврюшенко Б. С., Козинский В.А., Коряжнова В. П., Краснокутский Ю. В., Рогов И. А., Свентицкий И.И., Харитонов В. Д., и других.

Вопрос использования низкоинтенсивного инфракрасного излучения с длинной волны Х=890нм для обработки молока до конца не изучен. В этой связи сформулирована основная цель работы и основные задачи исследования.

Цель исследований. Обоснование метода и технических средств воздействия на молоко низкоинтенсивным инфракрасным излучением, обеспечивающие снижение энергозатрат при хранении.

Объект исследований. Процесс воздействия на свежевыдоенное молоко коров низкоинтенсивным инфракрасным излучением в технологии его первичной обработки.

Предмет исследования. Зависимость времени хранения молока от параметров низкоинтенсивного инфракрасного излучения.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. Методика исследований основана на применении современного оборудования и измерительных приборов. Теоретические исследования были выполнены, основываясь на методах математической статистики, планирования экспериментов, математической статистики, методы подобия.

Экспериментальные исследования и определение физико-химических свойств молока проводились в соответствии с действующими ГОСТами, ОСТами и с использованием методики планирования экспериментов. При обработке экспериментальных данных были использованы методы математической статистики с применением современных средств вычислительной техники и стандартных ЭВМ-программ. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой на лабораторных и опытно-производственной установках.

Научную новизну составляют:

- замедление роста кислотности молока в процессе хранения после обработки низкоинтенсивным инфракрасным излучением плотностью потока энергии 16 мДж/см2 на длине волны 890 нм;

- повышение температуры молока на 2,0±0,05 °С после обработки низкошггенсивным инфракрасным излучением плотностью потока энергии 16 мДж/см2 на длине волны 890 нм.

Задачи исследований:

- анализ отечественной и зарубежной литературы по оценке воздействия электромагнитных излучений, позволяющих повысить качественные характеристики молока;

- разработка установки для проведения экспериментальных исследований влияния параметров низкоинтенсивного инфракрасного излучения на качественные показатели свежевыдоенного молока;

- экспериментальное определение наилучших технологических параметров обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением;

- производственная проверка разработанного прибора для обработки молока и его экономическая оценка.

Практическая значимость:

- разработана установка для обработки низкоинтенсивным инфракрасным излучением в технологическом процессе первичной обработки молока, повышающий срок хранения молока до 5 часов;

- использован способ обработки свежевыдоенного молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением при его охлаждении позволяет снизить затраты электроэнергии на 27%;

- определен рациональный диапазон времени обработки молока равный 110 с.

Положения, выносимые на защиту:

- замедление роста кислотности молока в процессе хранения после обработки низкоинтенсивным инфракрасным излучением до 5 часов без тепловой обработки в состоянии первого сорта;

- повышение температуры молока на 2,0±0,05°С после обработки низкоинтенсивным инфракрасным излучением;

- прибор для обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением с длиной волны А.=890 нм, реализующий рациональные параметры и режимы работы для увеличения сроков сохранности молока;

результаты исследования обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением с целью снижении затрат электроэнергии при хранении;

- результаты производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением.

Реализация результатов исследований. Получены режимы обработки (мощность, срок повышения сохранности). Разработанная методика обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением принята на молочной ферме - ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец» и на ОАО Маслозавод «Дружба». Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МичГАУ при изучении дисциплин «Электротехнологии и электроосвещение».

Достоверность результатов работы. Основные выводы диссертационного исследования обоснованы теоретическими положениями и экспериментальными данными, применения современного оборудования, методов исследования и обработки экспериментальных данных, создании математических моделей с использованием математического пакета компьютерного моделирования МаЙ1са<114.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались ежегодно с 2008 по 2013 гг. на научных конференциях ФГБОУ ВПО МичГАУ.

Отдельные материалы доложены, обсуждены и одобрены на III Международной выставке - интернет - конференции «Энергообеспечение и строительство» г. Орёл, 2009; международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО МГАУ «Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии», г. Москва, октябрь 20 Юг; семинаре-совещании в ОАО «Аграрник» г. Курск, февраль 2011г.

Работа была выполнена составной частью исследований по программе государственного контракта № 2009-1.1-000-082-112 по теме «Разработка системы энергетического менеджмента на предприятиях АПК» (2009-2011 гг.).

Публикации результатов работы. Основные положения диссертационной работы отражены в 8 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рецензируемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, заключение, библиографический список, приложение. Работа содержит 168 страницы машинописного текста, 53 рисунков, 31 таблиц. Библиографический список состоит из 139 наименований, в том числе 9 на иностранных языках. В приложение включает: акт о внедрении установки в технологический процесс первичной обработки молока на молочной ферме — ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец»; акт о внедрении в учебный процесс ФГБОУ ВПО «МичГАУ»; акт внедрения результатов исследования на ОАО Маслозавод «Дружба».

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена краткая характеристика состояния вопроса, обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Обзор существующих способов и технических средств для обработки жидкости с использованием электрофизических факторов» проведен анализ потребления энергоресурсов технологии производства молока. Выявлены основные требования, предъявляемые к молоку. Проведен анализ литературных источников в области разработки технологического оборудования для обработки электромагнитными полями молока с целью повышения его сохранности и качества.

К механизмам противодействия размножения молочнокислых бактерий можно отнести:

1 - ферменты, имеющиеся в молоке, появляющиеся в определенном количестве (фактор иммунной системы животного, передаваемого через молоко теленку) - естественный способ борьбы с молочнокислыми бактериями;

2 - искусственные (техногенные) способы, снижающие скорость размножения бактерий: охлаждение молока, тепловая обработка (пастеризация), обработка низкоинтенсивным инфракрасным излучением.

Несмотря на отсутствие обоснованных представлений о механизме действия низкоинтенсивного излучения, этот феномен нашел применение в биологии, медицине и сельском хозяйстве. В растениеводстве использование оптического излучения позволило повысить урожайность и качество выпускаемой продукции, снизить затраты на ее производство. Обработка плодовых соков позволяет увеличить содержание сахара. В ветеринарии применение низкоинтенсивного инфракрасного излучения позволяет лечить мастит у животных.

Следует отметить фундаментальные работы по исследованиям влияния электромагнитного поля на биологические объекты: Й.Т. Кару, Г. Мора, C.B. Конева исследования которых внесли значительный вклад в биологическую науку, но не смогли объяснить всё разнообразие экспериментально установленных фактов.

Многие авторы утверждают, что излучение является энергетическим фактором, и результат влияния его на биообъект - изменение энергетических параметров внутренней среды. Это и образование электронных возбужденных состояний биомолекул, и проявление внутреннего фотоэлектрического эффекта, и изменение энергетической активности ферментов (каталаза, лизоцим и др.), и другие процессы.

При производстве молока данный эффект позволит улучшить качественные показатели молока. Критерием оценки качества молока является титруемая кислотность, которая определяет его сортность. При хранении сырого молока титруемая кислотность повышается по мере развития в нем молочно-кислых бактерий.

Во второй главе «Теоретическое обоснование влияния низкоинтенсивного инфракрасного излучения на качество молока» рассмотрены модели взаимодействия низкоинтенсивного инфракрасного излучения с молоком.

Научная гипотеза: воздействие низкоинтенсивным инфракрасным излучением активирует иммунную антимикробную систему молока и приводит к увеличению времени его сохранности.

Первичным процессом преобразования низкоинтенсивного инфракрасного излучения является поглощение молоком фотонов падающего на него излучения. В соответствии с законом сохранения энергии для оптического излучения процесс поглощения можно описать следующим уравнением:

Еа = а- Ен= afF(t)dt = Ез + Еп

(1)

Молоко

где Ен - энергия низкоинтенсивного инфракрасного излучения, упавшая на молоко, Дж; Еа — энергия низкоинтенсивного инфракрасного излучения Х=890 нм,

поглощенная за промежуток времени 1, Дж; а — коэффициент поглощения излучения молоком; Р(1)—поток излучения, упавший на молоко, в функции времени, Вт; Еэ—эффективная энергия, Дж; Еп— энергия потерь, Дж.

Под величиной эффективной энергии Еа следует понимать ту часть поглощенной молоком энергии излучения, которая сохраняет качество молока (рисунок 1).

Реакция молока на низкоинтенсивное инфракрасное излучение пропорциональна

характеристике потока и свойствам молока, причем реакция на излучение проявляется в диапазоне

/ н

/

Рисунок 1 - Пространственное представление эффективного потока

низкоинтенсивного оптического излучения как части общего потока

волн Л...Л,:

F=kf<p(Á)K(Á)M.

(2)

где (р(Х)- спектральная плотность потока; К(Х)- спектральная чувствительность молока; к - отношение интегральной чувствительности к коэффициенту поглощения излучения.

Предположим, что имеется процесс, который своим действием тормозит развитие молочно-кислых бактерий. Следствием этого будет являться медленный рост молочнокислых бактерий и соответственно титруемой кислотности, что в свою очередь увеличит срок хранения молока. Это происходит при охлаждении молока. Схема обработки молока

низкоинтенсивным инфракрасным

излучением приведена на рисунке 2.

C/iaj nomo

Рисунок 2 - Схема обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением

Система уравнений, описывающая рост кислотности молока обработанного и необработанного имеет вид, рисунок 3: Г K,(t) = К0епЛ

K2(t) = К0еъ** , (3)

yKKp(t) — const

где К0 — начальная кислотность молока, °Т в момент времени /0; K1(t) - зависимость кислотности необработанного молока от продолжительности хранения; K2(t) -зависимость кислотности обработанного молока от продолжительности хранения; Ккр - кислотность молока, допустимая по ГОСТ Р 52054-2003, °Т; пг - коэффициент соответствующий тепловой обработке, п2-коэффициент соответствующий обработке низкоинтенсивному инфракрасному излучению ; t - продолжительность хранения молока, ч.

Обработка молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением позволит продлить время хранения молока на время At:

At = i, -t, =

1 1

К,.,

—---— • In ——. (4) К

К,

Кислотность низкоинтенсивной медленнее.

молока обработке

Рисунок 4 - Схема взаимодействия систем, участвующих в процессе снижения кислотности молока: а - естественная регуляция кислотности; б -регуляция понижением температуры; в - регуляция понижением температуры и обработкой излучением. Ек — энергия, уносимая молокоохладительной установкой; Еи - энергия излучателя 890 нм.

Известно, что развитие кислотности молока К| изменяется по закону (зависимость 1 рисунок 3). Предположим, что некоторое воздействие замедлит развитие кислотности (зависимость 2 рисунок 3).

при растет

Кп

к„

h

и

t

Рисунок 3 - Теоретические зависимости К = /(1) кислотности молока от продолжительности хранения:

1 - необработанное молоко; 2 -обработанное молоко низкоинтенсивным инфракрасным излучением

Модели взаимодействия систем, участвующих в процессе снижения кислотности молока, можно представить в виде, приведенном на рисунке 4. Модели предусматривают в системе молоко — биомасса бактерий - фермент-ингибитор различные сочетания воздействия факторов на скорость размножения бактерий.

Первая из них, рисунок 4а, предусматривает естественную

регуляцию кислотности молока за счет действия естественного

фермента, действующего как ингибитора скорости размножения молочнокислых бактерий. Воздействие фермента осуществляется только на биомассу бактерий.

Вторая модель, рисунок 46, предусматривает использование пониженных температур при хранении молока за счет его искусственного охлаждения.

Третья модель, рисунок 4в, предусматривает использование пониженных температур и излучения. Воздействие осуществляется: пониженными температурами - на биомассу бактерий, молоко (субстрат для бактерий) и фермент ингибитор бактерий, а излучением - на фермент - ингибитор.

На основании теоретического анализа молокоохладительной установки

установлено, что при охлаждении

тЛ

свежевыдоенного

молока

[

V

\

. II _ т

О 0.5 10

Рисунок 5 температуры Т = /(г)

15 го 2.5 30 3.5 - Теоретическая молока от времени

4 о 1.5 < 1

зависимость

охлаждения

температурой 36 С до температуры хранения 4°С изменяется по зависимости Т=/(0 рисунок 5. Полученная зависимость позволяет оценить количество энергии, необходимой для охлаждении молока за один цикл работы.

Аналитически энергетическая эффективность охлаждения молока может быть аппроксимируема экспоненциальным уравнением вида:

е(0 = 1-/?-Л (5)

где е - электрическая мощность, затрачиваемая на охлаждение молока, кВт; 7 - относительная продолжительность охлаждения

молока, ч; Р и постоянные коэффициенты. Данное уравнение (5) позволяет аналитически рассчитывать количество потребленной электрической энергии, затраченной на охлаждение молока, за любой промежуток времени.

= |(1

(6)

Полная энергия охлаждения состоит из энергии низкоинтенсивного инфракрасного излучения и собственно, самой молокоохладительной установки:

Р

8 +1

(7)

Учитывая что при обработке время затрачивается меньше, то можно снизить потребление энергии.

В третьей главе «Методика и оборудование экспериментальных исследований влияния низкоинтенсивного инфракрасного излучения на молоко» рассмотрена программа исследований и общая методика проведения экспериментов, описана экспериментальная установка для исследований обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением, осуществлен выбор факторов для проведения экспериментов. В качестве таких факторов выбраны кислотность

молока К; продолжительность хранения t; время обработки т; COMO; жирность; плотность.

Источником низкоинтенсивного инфракрасного излучения служил

полупроводниковый инжекционный импульсный

лазерный диод типа ЛПИ-101, работающий на частоте 1 кГц, мощностью излучения в импульсе 4 Вт. Для определения температуры поверхности молока применялся тепловизор SDS Hot find L. Плотность, жир и COMO в молоке определяли на приборе «Лактан 1-4 МИНИ», кислотность молока - титрованием.

Микробиологические исследования опытных образцов молока проводили согласно ГОСТ Р 52054-2003, ГОСТ Р 8.563-96, Федерального закона № 88-ФЗ «Технический регламент на молоко и молочную продукцию» (от 12.06.2008г.). Для производственных испытаний источника низкоинтенсивного инфракрасного излучения - ООМ-1.

В задачу экспериментальных исследований входила проверка теоретических положений о сокращении роста кислотности при воздействии низкоинтенсивного инфракрасного излучения, определение значений физических величин, которые не выявлены в процессе теоретических исследований, а также выбор времени и величины мощности низкоинтенсивного инфракрасного излучения.

В соответствии с поставленной задачей экспериментальные

исследования выполнялись по следующей программе:

— выявление влияние продолжительности обработки и режима работы низкоинтенсивного инфракрасного излучения на качественные показатели (титруемая кислотность, плотность, жир и сухой обезжиренный молочный остаток (COMO)) и продолжительности

Рисунок 6 - Внешний вид ООМ-1 1 - таймера УТ-24; 2 - тумблер включения реле времени корпус; 3 - кнопка запуска заданной программы; 4 - корпус; 5 - блок питания; 6 -полотгооволниковый лазеоный пиол ЛПИ-101.

3 Шл

2

ó

7

4 5

Рисунок 7 - Схема стенда для лабораторных исследований обработки молока

низкоинтенсивным инфракрасным излучением на изменение температуры на поверхности: 1 - емкость с молоком; 2 - лазерный диод; 3— формирователь импульсов; 4 - тепловизор SDS Hot find L; 5 - компьютер

хранения молока;

- проверка экспериментально теоретические положения и выявить наилучшие режимы работы низкоинтенсивного инфракрасного излучателя.

Установка для обработки молока ООМ-1 представлена на рисунке 6. Методика обработки заключалась в следующем: - молоко, объемом 100 мл переливалось в 3 л. емкость. Затем производилась обработка налитого слоя высотой h=7 мм. Обработка осуществлялась через один с экспозицией t = 5с, 10с, 20с, 40с, 60с. После обработки молока отбирали пробы до полного скисания молока.

Исследовано воздействие низкоинтенсивного инфракрасного излучения на изменение температуры поверхности молока. Стенд для лабораторных исследований показан на рисунке 7, в основу работы которого положено измерение температуры поверхности молока тепловизором.

Для количественной оценки экспериментальных исследований в качестве показателей, с помощью которых определялась правомочность принятых допущений при разработке математической модели, были выбраны следующие критерии: множественный коэффициент корреляции, коэффициент детерминации, критерий Фишера и коэффициент Стьюдента.

В четвертой главе «Результаты исследований воздействия

низкоинтенсивного инфракрасного на качество молока» проведён анализ полученных экспериментальных данных, их математическая обработка, получены уравнения регрессии, отражающие зависимости отклика от управляемых факторов.

Пользуясь методикой активного планирования трехфакторного эксперимента и программой «STATISTICА 6.1», построены поверхности откликов и двумерные сечения в изолиниях моделей. Получены модели изменения кислотности молока, СОМО, плотности, жирности в зависимости от варьируемых параметров (продолжительностью хранения и общей продолжительностью воздействия низкоинтенсивным инфракрасным излучением).

На рисунке 8 представлена зависимость кислотности молока от времени обработки в динамике хранения, описываемая полиномом:

(8)

где YK- кислотность молока. °Т; х, - время хранения молока, ч; х2 — время обработки молока оптическим излучением, с.

Оптимум (минимальное значение функции отклика YK) соответствуют значения факторов X] = 5,63 ч; х2 = -13,5 с. Значение отклика в точке оптимума YK = 17,16

о-р

Анализируя

Рисунок 8 - Поверхности отклика зависимости кислотности полученные данные,

молока от времени обработки в динамике хранения. можно сказать, что

молоко, обработанное

низкоинтенсивным инфракрасным излучением плотностью потока энергии 16 мДж/см2 в течении 1 = 13,5с находиться в состоянии 1 сорта на 5,1 ч. дольше, чем необработанное.

Был проведен многофакторный эксперимент влияния низкоинтенсивного инфракрасного излучения на изменение температуры поверхности молока. Общий вид уравнения регрессии для данного эксперимента:

Т=а4+а1-т+а2^1+аз-12, (9)

где, Т - температура молока, °С; т - продолжительность обработки низкоинтенсивным инфракрасным излучением, с; - время измерения, мин; время после начала эксперимента, мин.

В результате обработки экспериментальных данных получены значения регрессионных коэффициентов таблица 1.

Таблица 1 - Значения регрессионных коэффициентов

Регрессионные коэффициенты а! а2 а3 а4

Расчетные значения регрессионных коэффициентов 0,206 -5,768 10"3 1,1 ТО"3 0,995

Под действием низкоинтенсивного инфракрасного излучения изменение температуры АТ прямо пропорционально продолжительности облучения т. При обработке продолжительностью т=10 с. температура молока увеличивается на 2±0,05°С на поверхности молока под действием излучения с интенсивностью 16 мВт/см2 с А.=890нм. Обработка молока не приводит к каким либо существенным изменениям структуры молока, поскольку температура в ходе такой процедуры повышается на несколько градусов.

Результаты обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением в емкости 3 л. Описываются полином, рисунок 9:

У =17,55-0,005 т+0,00001 • т2 +0,078 Гг,

;

•

О 100 200 300 400 500 000 700 800 900 Время обработки, с

Рисунок 9 - Линии равного отклика, соответствующие кислотности молока от времени обработки в продолжительности хранения

(10)

где, У- кислотность молока. Т; X - время хранения молока, ч; т -время обработки молока оптическим излучением, с.

Таким образом,

обработанное молоко

низкоинтенсивным инфракрасным излучением в емкости 3 л, плотностью потока энергии 16 мДж/см2 в течении I = 350с находится в состоянии 1 сорта на 5,4 ч. дольше, чем необработанное.

Определены рациональные значения

параметров низкоинтенсивного инфракрасного излучения при которых молоко в наибольшей степени сохраняет

первоначальные свойства: время воздействия - 1 Юс; плотность потока энергии - 16 мДж/см2; энергия - 0,1 Дж/кг.

В пятой главе «Производственная проверка и экономическая эффективность использования оптического облучения молока» проведены производственная

проверка и основные расчеты, доказывающие экономическую

целесообразность применения данной технологии обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением.

Испытания аппарата ООМ-1 проводились на молочной ферме ФГУП учхоз-племзавод

«Комсомолец». На рисунке 10 приведена фотография

хозяйственных испытаний.

Зависимости уровня кислотности обработанного молока

Рисунок 10-Аппарат ООМ-1 низкоинтенсивным инфракрасным

излучением и контроля в динамике

хранения (рисунок 11).

Таким образом, проведенные исследования зафиксировали удлинение сроков сохранности молока в состоянии первого сорта до 5ч, обработанного низкоинтенсивным инфракрасным излучением. В сравнении с контрольным образцом, это молоко имеет тоже качество.

Рассчитаны затраты на электроэнергию при использовании этой

операции обработки,

которые сравнили с затратами при базовом варианте, когда для охлаждения молока

используют танки-

охладители. Обработка молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением позволяет экономить до 27% электроэнергии. Годовой экономический эффект от применения установки для оптической обработки молока, обслуживающей молочную ферму на 200 голов, составляет 365205,5 руб. при сроке окупаемости 1,7 года.

0 1 2 3 4 5 6 7

♦ Контроль в Обработанное Время V"

Рисунок 11 - Зависимости уровня кислотности молока в динамике хранения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ потребления энергоресурсов технологии производства молока на животноводческом комплексе показал, что наибольшие энергозатраты приходятся на технологический процесс охлаждения молока.

2. Обработка молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением позволяет замедлить рост кислотности молока, что увеличивает срок хранения молока до 5,4 часа в состоянии 1 сорта по сравнению с необработанным.

3. Экспериментальные исследования показали, что при обработке молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением наблюдается повышение температуры поверхности на 2,00±0,05°С в импульсном режиме работы с плотностью потока энергии 16 мДж/см2 с длиной волны Х=890нм.

4. Определены рациональные значения параметров низкоинтенсивного инфракрасного излучением волны Х=890нм, при котором молоко в наибольшей степени сохраняет первоначальные свойства: импульсный режим; плотность потока энергии 16 мДж/см2, время обработки 110с для 1 кг молока при затраченной энергии 0,1 мДж/кг.

5. Обработка молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением при его хранении позволяет снизить затраты электроэнергии на 27% путем повышения температуры охлаждения.

6. Разработана установка для низкоинтенсивной инфракрасной обработки молока мощностью 8 Вт с производительностью 20 л/мин.

7. Экономическая оценка показала, что обработка молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением, на примере молочной фермы ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец», дает годовой экономический эффект за счет повышения качества молока и экономии электроэнергии 365205,5 руб. при сроке окупаемости 1,7 года.

Основное содержание диссертации опубликованы в следующих работах

Статьи в ведущих изданиях, рецензируемых ВАК России

1. Астапов А.Ю. Использование ИК-лазерной энергии для регулирования качества молока [Текст] / А.Ю. Астапов, A.B. Чувилкин, С.Ю. Астапов // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета.-2012.- №1,41.- с.178-180.

2. Астапов А.Ю. Устройство для оптической обработки молока. [Текст] / А.Ю. Астапов, H.A. Грачева, С.Ю. Астапов // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета.-2012,- №4.- с.82-85.

3. Астапов А.Ю. Оценка возможности энергосбережения в технологии производства молока. [Текст] / A.C. Гордеев, С.Ю. Астапов, А.Н. Пахомов, Н.Ц. Гатапова//Вестник Мичуринского государственного аграрного университета.-2013.-№3. -с.56-60.

Публикации в журналах, сборниках научных трудов и материалах конференций

1. Астапов А.Ю. Модификация плодовых соков инфракрасной лазерной обработкой [Текст] /А.Ю. Астапов //Энергообеспечение и строительство: сб. мат. III междунар. выставки-Интернет- конференции памяти проф. В.Г. Васильева ( к 60-летию со дня рождения) 2009 г., г. Орёл.- с.41-43.

2. Астапов А.Ю. Технология обработки плодовых соков инфракрасным лазерным излучением [Текст]/ А.Ю. Астапов// Инновационно-техническое обеспечение ресурсосберегающих технологий АПК: сб. науч. тр. Международной научно-практической конференции 4-5 мая 2009г. - Мичуринск: Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2009 - с. 199-203.

3. Астапов А.Ю. Воздействие РЖ-лазерного облучения на качество молока [Текст]/ А.Ю. Астапов, A.C. Гордеев// Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК: сб. науч. тр. Международной научно-практической конференции 13-14 мая 2010 г. - Мичуринск: Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2011 - с. 220-222.

4. Астапов А.Ю. Обработка молока низкоинтенсивным электромагнитным полем лазерного диода [Текст] /А.Ю. Астапов, A.C. Гордеев// Торсионные поля и информационные взаимодействия:. Материалы П-й международной научно-практической конференции, г. Тамбов. 28-29 сентября 2010 г. - ТГТУ, 2010. - с. 8081.

5. Астапов А.Ю. Оптическая обработка молока. [Текст] / А.Ю. Астапов, A.C. Гордеев// Моделирование энергоинформационных процессов: I международная научно-практическая интернет-конференция (10-15.12.2012). - Воронеж, гос.ун-т инж. технол. - Воронеж: ВГУИТ, 2013. - с.68-69.

Отпечатано в издательско-полиграфическом центре МичГАУ Подписано в печать 16.09.13г. Формат 60x84 '/ ¡6, Бумага офсетная № 1. Усл.печ.л. 1,3 Тираж 120 экз. Ризограф Заказ № 15087

Издательско-полиграфический центр Мичуринского государственного аграрного университета 393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101, тел. +7 (47545) 5-55-12

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МИЧУРИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи АСТАПОВ Андрей Юрьевич

ОБРАБОТКА МОЛОКА НИЗКОИНТЕНСИВНЫМ ИНФРАКРАСНЫМ

ИЗЛУЧЕНИЕМ

Специальность 05.20.02. - Электротехнологии и электрооборудование в сельском

хозяйстве (по техническим наукам)

^ Диссертация на соискание ученой степени

Tt

кандидата технических наук

ю

см

^ °

Tj ^ Научный руководитель:

^ доктор технических наук,

® профессор A.C. Гордеев

Мичуринск - 2013 г

РЕФЕРАТ

Диссертация содержит 164 машинописных страниц, 53 рисунков, 31 таблиц, 139 литературных источников и 11 приложений.

Ключевые слова: молоко, качество, бактерицидная фаза, кислотность, низкоинтенсивное инфракрасное излучение, охлаждение, энергозатраты.

Цель работы: Обоснование метода и технических средств воздействия на молоко низкоинтенсивным инфракрасным излучением, обеспечивающее снижение энергетических затрат при хранении.

Объект исследований: Процесс обработки свежевыдоенного молока коров низкоинтенсивным инфракрасным излучением в технологии его первичной обработке.

На основе анализа потребления энергоресурсов в технологии производства молока выявлены энергоемкие процессы в первичной обработке молока. Определены основные требование к молоку-сырью. Произведен анализ способов обработки молока электромагнитными полями. Рассмотрены модели взаимодействия низкоинтенсивного инфракрасного излучения с молоком, а также энергетические затраты на охлаждение молока. Экспериментально определены оптимальные параметры низкоинтенсивного инфракрасного излучения для обработки молока, обеспечивающие увеличение сроков хранения без потери качества молока в состоянии первого сорта. Проведена производственная проверка разработанного низкоинтенсивного инфракрасного излучателя и сравнительный технико-экономический анализ его применения.

Внедрение предложенного низкоинтенсивного инфракрасного излучателя позволит повысить эффективность процесса первичной обработки молока и обеспечить снижение потребления электроэнергии при охлаждении.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................6

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ....................................................................................................................12

1.1 Анализ потребления энергоресурсов технологии производства молока........12

1.2 Требования к качеству молока............................................................................18

1.3 Электрофизические свойства молока.................................................................23

1.4 Анализ способов обработки молока электромагнитными полями..................27

1.5 Параметры низкоинтенсивного инфракрасного излучения.............................35

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КАЧЕСТВО МОЛОКА.............................39

2.1 Модели взаимодействия низкоинтенсивного инфракрасного излучения с молоком........................................................................................................................39

2.3 Процесс теплообмена в молокоохладительной установке...............................49

2.4 Энергетические затраты на охлаждение молока...............................................54

3 МЕТОДИКА И ОБОРУДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА МОЛОКО........................................................................................57

3.1 Программа исследований и общая методика.....................................................57

3.2 Приборы и оборудование для проведения экспериментов..............................59

3.2.1 Оборудование для лабораторных исследований влияния низкоинтенсивного инфракрасного излучения на молоко..................................59

3.2.2 Оборудование для хозяйственных исследований влияния низкоинтенсивного инфракрасного излучения на молоко..................................63

3.3 Методика определения физико-химических свойств молока......................69

3.4 Методика контроля измерения электросопротивления воды.........................70

3.5 Методика исследования воздействия низкоинтенсивного инфракрасного излучения на изменение температуры молока........................................................73

3.6 Методика проведения испытаний прибора ООМ-1 в емкостях с молоком...75

3.7 Методика хозяйственных испытаний прибора ООМ-1...................................76

3.8 Методика статической обработки экспериментальных данных......................77

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КАЧЕСТВО МОЛОКА............................80

4.1 Оптимизация параметров излучателя для обработки молока..........................80

4.2 Результаты исследований воздействия низкоинтенсивного инфракрасного излучения на электрическое сопротивление воды..................................................85

4.3 Результаты исследований воздействия низкоинтенсивного инфракрасного излучения на температуру молока............................................................................88

4.4 Результаты обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением в емкости объемом 3 литра...................................................................94

4.5 Результаты воздействия низкоинтенсивного инфракрасного излучения на физико-химические свойства молока......................................................................99

4.5.1 Изменение сухого обезжиренного молочного остатка (COMO)...............99

4.5.2 Изменение плотности молока......................................................................101

4.5.3 Изменение содержания жира в молоке......................................................102

4.6 Исследование изменений органолептических свойств молока....................104

5 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРОВЕРКА И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ облучения молока................................106

5.1 Результаты испытаний низкоинтенсивной инфракрасной обработки молока .....................................................................................................................................106

5.2 Технико-экономическая оценка результатов внедрения ООМ-1..................108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................;...........................................................116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................................................132

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Проблема качества сельскохозяйственного сырья и продуктов его переработки стояла и стоит всегда: меняются условия производства и хранения, меняются требования к продукции, меняется сам человек, выдвигая все новые и новые требования к продукции -повышение содержания витаминов, антиоксидантов и т.п. Потери сельскохозяйственной продукции велики, не всегда продукция удовлетворяет по содержанию полезных веществ. Поэтому возникают задачи корректировки технологического процесса в сторону улучшения качества, снижения потерь, оптимизации содержания полезных веществ, увеличение сроков хранения.

Корректировка может осуществляться путем более разумного управления технологическим процессом выращивания, переработки и хранения. В некоторых случаях, требующих дополнительных исследований, обработка тем или иным видом низкоинтенсивного электромагнитного поля (видимый когерентный свет, ИК-излучение, КВЧ) приводит к ликвидации последствий неоптимального развития живой системы. Так, например, обработка яблок, предрасположенных к загару, низкоинтенсивным инфракрасным излучением приводит к устранению причин его появления в процессе хранения. Другие примеры: повышение содержания сахара в яблочном соке или всхожести семян после аналогичного воздействия. Низкоинтенсивное электромагнитное поле находит широкое применение в самых разных областях медицины, ветеринарии. Проведены практические испытания технологии обработки плодов с целью сохранения их качества - сохранность плодов выше на 10-20% в зависимости от исходного качества продукции. Эффекты проявляются в виде повышения иммунитета биологического объекта к воздействию различных неблагоприятных для роста факторов - болезней, стрессов и т.п.

Таких проявлений действия электромагнитных полей на живые системы можно привести десятки. Однако, технологию применения того или иного эффекта необходимо разрабатывать конкретно для каждого продукта и назначения, в том числе и для молока.

Молоко является быстропортящимся продуктом и многие хозяйства теряют прибыль из-за того, что оно не соответствует стандарту. Одним из основных критериев оценки качества молока по ГОСТ Р 52054-2003 является кислотность. На сегодняшний момент на животноводческих молочных фермах поддержание кислотности на требуемом уровне осуществляется охлаждением молока. Благодаря охлаждению в молоке приостанавливается развитие микроорганизмов, увеличивается бактерицидный период, что способствует увеличению времени его хранения.

В настоящее время в используемом парке холодильных машин на охлаждение 1 т молока расходуется до 40 кВт-ч электроэнергии, что существенно сказывается на его себестоимости и требует разработки и реализации ресурсо- и энергосберегающих технических решений.

Необходимость совершенствованию технологии производства молока обусловлена значительным объемом операций, большой удельной энергоемкостью процессов и высокими требованиями к качеству молока. В этой связи разработка новых ресурсосберегающих технологий и оборудования, направленных на снижение затрат топлива и электроэнергии, обеспечивающих сохранение качества молока имеет определяющее значение.

В данной области методы энергосбережения разработаны явно недостаточно. Кроме того, процессы характеризуются малой долей полезно используемой энергии, несмотря на существенную величину электроэнергии. Поэтому поиск возможностей экономии электроэнергии в процессах с использованием энергии низкоинтенсивного излучения представляет собой весьма важную практическую задачу.

Степень разработанности. Общим вопросам обработки сельскохозяйственной продукции электромагнитными полями посвящены работы Аксеновского A.B., Айзенберга Ю.Б., Богоявленского В.М., Бородина И.Ф., Брижанского JI.B., Будаговского A.B., Воробьева В.А., Гинзбурга A.C., Гришина И.И., Гордеева A.C., Корчагина Ю.В., Кириллова Н.К., Кудрявцева И.Ф., Леонова

B.C., Лямцова А.К.,, Рогова И.А., Стребкова Д.С., Сычевой О.В., Нетушила A.B., Лыкова A.B., Тарушкин В.И., Цугленка Н.В. и др.

Решены ряд теоретических и прикладных задач в области обоснования параметров и режимов установок для обработки молока электромагнитными полями. Исследованиями этой проблеме занимался ряд отечественных ученых: Будаговский A.B., Глизатулин В.Г., Пономарев А.Н., Твердохлеб Г. В., Пахомов В.И., Вассерман А.Л., Шидловская В. П., Гаврюшенко Б. С., Козинский В.А., Коряжнова В. П., Краснокутский Ю. В., Рогов И. А., Свентицкий И.И., Харитонов В. Д., и других.

Вопрос использования низкоинтенсивного инфракрасного излучения с длинной волны А,=890нм для обработки молока до конца не изучен. В этой связи сформулирована основная цель работы и основные задачи исследования.

Цель исследований. Обоснование метода и технических средств воздействия на молоко низкоинтенсивным инфракрасным излучением, обеспечивающие снижение энергозатрат при хранении.

Объект исследований. Процесс воздействия на свежевыдоенное молоко коров низкоинтенсивным инфракрасным излучением в технологии его первичной обработки.

Предмет исследования. Зависимость времени хранения молока от параметров низкоинтенсивного инфракрасного излучения.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов.

Методика исследований основана на применении современного оборудования и измерительных приборов. Теоретические исследования были выполнены, основываясь на методах математической статистики, планирования экспериментов, математической статистики, методы подобия.

Экспериментальные исследования и определение физико-химических свойств молока проводились в соответствии с действующими ГОСТами, ОСТами и с использованием методики планирования экспериментов. При обработке экспериментальных данных были использованы методы математической статистики с применением современных средств вычислительной техники и

стандартных ЭВМ-программ. Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментальной проверкой на лабораторных и опытно-производственной установках.

Научная гипотеза. Воздействие низкоинтенсивным инфракрасным излучением активирует закрытую антимикробную систему молока и приводит к увеличению времени сохранности качества молока.

Научную новизну составляют:

- замедление роста кислотности молока в процессе хранения после обработки низкоинтенсивным инфракрасным излучением плотностью потока энергии 16 мДж/см2 на длине волны 890 нм;

- повышение температуры молока на 2,0±0,05 °С после обработки низкоинтенсивным инфракрасным излучением плотностью потока энергии 16 мДж/см2 на длине волны 890 нм.

Задачи исследований:

- анализ отечественной и зарубежной литературы по оценке воздействия электромагнитных излучений, позволяющих повысить качественные характеристики молока;

- разработка установки для проведения экспериментальных исследований влияния параметров низкоинтенсивного инфракрасного излучения на качественные показатели свежевыдоенного молока;

- экспериментальное определение наилучших технологических параметров обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением;

- производственная проверка разработанного прибора для обработки молока и его экономическая оценка.

Практическая значимость:

- разработана установка для обработки низкоинтенсивным инфракрасным излучением в технологическом процессе первичной обработки молока, повышающий срок хранения молока до 5 часов;

использован способ обработки свежевыдоенного молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением при его охлаждении позволяет снизить затраты электроэнергии на 27%;

- определен рациональный диапазон времени обработки молока равный 110с.

Положения, выносимые на защиту:

- замедление роста кислотности молока в процессе хранения после обработки низкоинтенсивным инфракрасным излучением до 5 часов без тепловой обработки в состоянии первого сорта;

- повышение температуры молока на 2,0±0,05°С после обработки низкоинтенсивным инфракрасным излучением;

- прибор для обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением с длиной волны А,=890 нм, реализующий рациональные параметры и режимы работы для увеличения сроков сохранности молока;

результаты исследования обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением с целью снижении затрат электроэнергии при хранении;

- результаты производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением.

Реализация результатов исследований. Получены режимы обработки (мощность, срок повышения сохранности). Разработанная методика обработки молока низкоинтенсивным инфракрасным излучением принята на молочной ферме - ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец» и на ОАО Маслозавод «Дружба». Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МичГАУ при изучении дисциплин «Электротехнологии и электроосвещение».

Достоверность результатов работы. Основные выводы диссертационного исследования обоснованы теоретическими положениями и экспериментальными данными, применения современного оборудования, методов исследования и обработки экспериментальных данных, создании математических моделей с

использованием математического пакета компьютерного моделирования МаШсаёМ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались ежегодно с 2008 по 2013 гг. на научных конференциях ФГБОУ ВПО МичГАУ.

Отдельные материалы доложены, обсуждены и одобрены на III Международной выставке - интернет - конференции «Энергообеспечение и строительство» г. Орёл, 2009; международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО МГАУ «Интеграция науки, образования и производства в области агроинженерии», г. Москва, октябрь 20 Юг; семинаре-совещании в ОАО «Аграрник» г. Курск, февраль 2011г.

Работа была выполнена составной частью исследований по программе государственного контракта № 2009-1.1-000-082-112 по теме «Разработка системы энергетического менеджмента на предприятиях АПК» (2009-2011 гг.).

Публикации результатов работы. Основные положения диссертационной работы отражены в 8 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рецензируемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, общие выводы, библиографический список, приложение. Работа содержит 168 страницы машинописного текста, 53 рисунков, 31 таблиц. Библиографический список состоит из 139 наименований, в том числе 9 на иностранных языках. В приложение включает: акт о внедрении установки в технологический процесс первичной обработки молока на молочной ферме -ФГУ�