автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Установка для обеззараживания молока комбинированным воздействием физических факторов в фермерских хозяйствах

РОДИОНОВА Анастасия Валерьевна

УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА КОМБИНИРОВАННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ В ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВАХ

05.20.02 — Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

г в ноя 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013

005540507

005540507

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Новикова Галина Владимировна

Официальные оппоненты: Башилов Алексей Михайлович - доктор

технических наук, профессор, Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А. Тимирязева, институт механики и энергетики имени В.П. Горячкина; Оболенский Николай Васильевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный инженерно-экономический институт», заведующий кафедрой «Механика и сельскохозяйственные машины». Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный аграрный университет».

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 006.037.01 при Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2, ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии).

Автореферат разослан 18 ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

А. И. Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Объём производства молока по статистическим данным за 2010...2012 гг. по Российской Федерации (РФ) и Чувашской Республике (4P) составил 31916 и 490 тыс. тонн/год соответственно. Причем 250 тыс. тонн молока произведено в условиях хозяйств населения. В рамках государственной программы развития сельского хозяйства (с.-х.) и регулирования рынков сырья и продовольствия на 2013...2020 годы большое внимание уделяется увеличению объема переработанного молока до 36 млн. тонн в год, улучшению качества молока, производимого в фермерских и личных подсобных хозяйствах. Его исходная бактериальная обсемененность достигает 6-10б...107 КОЕ/см3. Традиционные способы обеззараживания молока эффективны в случае обсемененно-сти молока до 1 млн. КОЕ/см3, при этом энергетические затраты составляют 0,10...0,20 кВт'ч/кг. В связи с чем возникает необходимость обеззараживания молока непосредственно в фермерских хозяйствах с использованием электрофизических факторов. Поэтому разработка технологии и технического средства для обеззараживания молока комбинированным воздействием электрофизических факторов, является актуальной.

Степень разработанности темы. Существенный вклад в развитие теории пастеризации молока и в разработку конструкции аппаратов для его осуществления внесли такие ученые как: Бредихин С.А., Кавецкий Г.Д., Ковалев Ю.А., Карташов Л.П., Крусь Г.И., Курочкин A.A., Плаксин Ю.М. и др. Их работы в значительной мере способствовали изучению технических средств, предназначенных для обеззараживания молока. Однако в трудах ученых слабо представлены теоретические предпосылки расчета доз воздействия электрофизических факторов, особенно при их комбинировании.

Предлагается проводить обеззараживание молока комбинированным воздействием электрофизических факторов, таких как электромагнитное поле сверхвысокой частоты, ультразвуковые колебания и бактерицидный поток ультрафиолетовых лучей, в технологической линии обработки молока при фермерских хозяйствах и на предприятиях малой мощности.

Целью настоящей работы является разработка и обоснование конструктивно-технологических параметров и режимов работы установки для обеззараживания молока комбинированным воздействием электрофизических факторов при сниженных энергетических затратах.

Основные научные задачи:

- разработать технологическую схему обеззараживания молока многократным комбинированным воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты, ультразвуковых колебаний и бактерицидного потока ультрафиолетовых лучей;

- разработать алгоритм согласования напряженности электрического поля, емкости и добротности объёмного резонатора с мощностью СВЧ генератора и приращением температуры молока, достаточным для его обеззараживания; получить математические выражения, позволяющие оценить излучаемую удель-

ную механическую мощность ультразвуковых колебаний при наложении электрического поля СВЧ диапазона на молоко;

- разработать установку, содержащую в рабочей камере источники электромагнитного поля сверхвысокочастотного диапазона, ультразвуковых колебаний и ультрафиолетовых лучей, позволяющую обеззараживать молоко в процессе многократной циркуляции;

- выявить рациональные режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающие улучшение микробиологических показателей молока при сниженных энергетических затратах;

- провести опытно-производственную проверку установки и определить энергетическую и экономическую эффективность её применения;

Объекты исследования: методы и технические средства для обеззараживания молока; процесс воздействия физических факторов на молоко; молоко.

Предметом исследования является выявление закономерностей рабочего процесса обеззараживания молока воздействием электрофизических факторов.

Методы исследования. В теоретических исследованиях применены основы теории электромагнитного поля, ультразвукового воздействия и ультрафиолетового излучения. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с разработанными частными методиками с применением современного оборудования и измерительных приборов. Основные расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с применением методов математической статистики и регрессионного анализа при использовании теории активного планирования многофакторного эксперимента. Научную новизну результатов исследования представляют:

- алгоритм согласования конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающей обеззараживание молока комбинированным воздействием электрофизических факторов с режимами ее работы;

- математические выражения, позволяющие оценить излучаемую удельную механическую мощность ультразвуковых колебаний при наложении электрического поля СВЧ диапазона на молоко;

- установка для обеззараживания молока, содержащая рабочую камеру, выполненную в виде цилиндрического перфорированного объёмного резонатора СВЧ генератора, состыкованного с резервуаром ультразвукового генератора, причем источник УФ лучей установлен параллельно молокопроводу из увиолевого стекла (заявки на изобретения № 2013120377 от 08.07.2011 г., № 2013103937 от 29.01.2013 г., №2013147837 от 25.10.2013 г., №2013147837 от 25.10.2013 г.);

- эффективные режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающие улучшение микробиологических показателей молока при сниженных энергетических затратах.

Практическую значимость представляет изготовленная и апробированная в производственных условиях установка для обеззараживания молока воздействием электрофизических факторов, позволяющая улучшить микробиологические показатели при сниженных энергетических затратах; возможность использования конструкторскими организациями полученных теоретических и

экспериментальных результатов исследований и предложенного алгоритма согласования параметров установки.

Реализация результатов исследований. Разработка установки для обеззараживания молока проводилась в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА в рамках тематического плана Министерства сельского хозяйства РФ по разделу «Нанотехнологии». Исследование процесса обеззараживания молока осуществлялось в лаборатории «Электротехнологии» ФГБОУ ВПО ЧГСХА, проверку установки в производственных условиях проводили в ООО «Козловский молочный завод» ЧР, ООО «Комбинат индустриального питания» ЧР. Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ЧГСХА, ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», ФГБОУ ВПО «Мордовский ГУ им. Н.П. Огарева», институт механики и энергетики.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены: на всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (г. Чебоксары, ФГБОУ ВПО ЧГСХА 2011...2013 гг.); в V республиканском конкурсе инновационных проектов «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (г. Чебоксары, Волжский филиал МАДИ, 17.11.2011 г.); в XV международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (г. Йошкар-Ола, ФГБОУ ВПО «Марийский ГАУ», 21.02.2013 г.); на международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и технические средства в АПК» (г. Казань, ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 23.04.2013 г.); во II республиканском фестивале научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» (г. Чебоксары, 04.06.2013 г.).

Установка демонстрировалась на республиканском фестивале научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» (04.06.2013 г.); выставке, посвященной Дню работников сельского хозяйства (ФГБОУ ВПО ЧГСХА 08.11.2013 г.).

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационных исследований удостоены:

- стипендии президента Российской Федерации на 2013...2015 г.г. (приказ №136 от 28.02.2013 г.);

- грантов молодежного научно-инновационного конкурса (У.М.Н.И.К. - 2009 г., 2010 г., г. Чебоксары);

- дипломов и сертификатов: за 1 место во II республиканском фестивале научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» (г. Чебоксары, Министерство образования и молодежной политики ЧР, 2013 г.); за активное участие в республиканском конкурсе «Молодой изобретатель Чувашской Республики», ВОИР, 2011 г.); на VII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО ЧГСХА», 2011...2013

г. г.); на XV международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 2013 г.); на международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и технические средства в АПК» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 2013 г.); на V республиканском конкурсе инновационных проектов «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (Волжский филиал МАДИ, 2011 г.).

Публикации. Результаты исследований отражены в 14 научных работах, в том числе 4 из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК при Министерстве образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 170 страницах и состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы, включающего 136 наименований, приложений. В диссертационной работе содержится 75 рисунков и 23 таблицы.

Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:

- технологический процесс обеззараживания молока многократным воздействием электрофизических факторов;

- алгоритм согласования конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающей обеззараживание молока комбинированным воздействием электрофизических факторов с режимами ее работы;

- математические выражения, позволяющие оценить излучаемую удельную механическую мощность ультразвуковых колебаний при наложении электрического поля СВЧ диапазона на молоко;

- установка для обеззараживания молока, содержащая рабочую камеру, выполненную в виде цилиндрического перфорированного объёмного резонатора СВЧ генератора, состыкованного с резервуаром ультразвукового генератора, причем источник УФ лучей установлен параллельно молокопроводу из увиолевого стекла, позволяющему перекачивать молоко с помощью насоса;

- эффективные режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающей улучшение микробиологических показателей молока при сниженных энергетических затратах. б)

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, определена цель и поставлены задачи исследований, приведены предмет и объект исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, представлена общая характеристика работы.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» приведен анализ ресурсов и объёмов перерабатываемого молока по РФ и ЧР, обзор научно-технической и патентной литературы на существующие способы и установки для обеззараживания жидкостей воздействием электрофизических факторов, охарактеризованы решаемые в работе задачи. Научно-методической основой для обоснования параметров разработанной установки в ходе теоретических и экспериментальных исследований явились научные труды в области:

- разработки технологического оборудования для производства и переработки молока, таких авторов как Бредихин С.А., Краснокутский Ю.В., Круев Т.Н., Остриков А.Н., Хмелев В.Н. и др.;

- электротехнологии - Стребков Д.С., Бородин И.Ф., Башилов A.M., Рогов И.А., Воробьев В.А., Кудрявцев И.Ф., Живописцев E.H., Цугленок Н.В. и др.;

- теории ультразвуковых колебаний - Абакумов В. Г., Агранат Б.В., Акопян Б.А., Бергман Л., Кикучи Е., Маргулис М.А. и др.;

- использования светотехнического оборудования - Лямцов А.К., Бакшеев П.Д., Газинский В.Л., Кожевникова Н.Ф., и др.

Исследованиями известных ученых решен ряд теоретических и прикладных задач в области обоснования параметров и режимов установок для обработки молока воздействием электрофизических факторов. Однако процесс комбинированного воздействия электрофизических факторов таких, как электромагнитное поле сверхвысокой частоты, ультразвуковые колебания и бактерицидный поток ультрафиолетовых лучей, недостаточно изучен.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование параметров и режимов работы установки для обеззараживания молока» приведены: схема технологического процесса обеззараживания молока, алгоритм согласования параметров объёмного резонатора СВЧ генератора с режимами работы установки.

Технология обеззараживания молока комбинированным воздействием электрофизических факторов (рис. 1), реализуемая с помощью разработанной установки, предусматривает следующие операции:_

Слив обеззараженного молока из рабочей камеры в емкость готовой продукции Залив молока в приемную емкость и многократное перекачивание через рабочую камеру

Г 1

Воздействие бактерицидного потока УФ лучей через молокопровод из увиолевого стекла а Воздействие ЭМИ СВЧ в объёмном резонаторе

Воздействие ультразвуковых колебаний в резервуаре УЗ генератора

Рисунок 1 - Блок-схема технологического процесса обеззараживания молока комбинигюванным воздействием электоосЬизических (Ьактооов Установка для обеззараживания молока, отличающаяся новым конструктивным исполнением, состоит из цилиндрического экранирующего корпуса 1, герметично закрытого крышкой 2, внутри которого коаксиально расположен объёмный резонатор 4 СВЧ генераторного блока 3. Нижнее основание объёмного резонатора перфорировано и состыковано с резервуаром 5, на дне которого установлены пьезоэлектрические преобразователи ультразвукового генератора 6. При этом патрубки слива 7 и подачи 14 молока соединены с системой вентилей, насосом 9 и счетчиком молока 10 молокопроводом 11, участок которого выполнен из увиолевого стекла 12, а параллельно ему установлен источ-

ник бактерицидного потока ультрафиолетовых лучей 13. Патрубок подвода молока 14 выполнен из неферромагнитного материала, обеспечивает функцию запредельного волновода, а)

Рисунок 2 - Схематическое изображение установки для обеззараживания молока воздействием электрофизических факторов (а); пространственное изображение (б): 1 - цилиндрический экранирующий корпус, 2 - крышка, 3 - СВЧ генератор с магнетроном, 4 - объёмный резонатор, 5 - резервуар, 6 - УЗ генератор с пьезоэлектрическими элементами, 7 - сливной патрубок, 8 - вентиль, 9 -циркуляционный насос, 10 - счетчик, 11 - молоко-провод, 12 - трубка из увиолевого стекла, 13 - УФ облучатель, 14 - патрубок подвода, 15 - тепловизор, 16 - измеритель потока мощности ЭМИ, 17 - прибор для измерения параметров молока, 18 - шумомер, 19 - измеритель температуры, 20 - счетчик молока Рабочая камера представл: его нижнее основание перфорировано и состыковано с резервуаром ультразвукового генератора (рис. 2). Перфорация объёмного резонатора обеспечивает проникновение потока мощности ЭМП СВЧ в резервуар УЗ генератора, в объёме которого происходит комплексное их воздействие. Известно, что комбинированное воздействие физических факторов на молоко подавляет процессы жизнедеятельности микроорганизмов. Основной задачей является обоснование параметров электромагнитного поля СВЧ, ультразвуковых колебаний и бактерицидного потока УФ лучей, позволяющих снизить бактериальную загрязненность молока. Алгоритм согласования параметров ЭМПСВЧ, а именно напряженности электрического поля в объёмном резонаторе с приращением температуры, позволяющей затормаживать развитие бактериальной микрофлоры, представлен на рис. 3.

¡2(Ä-s-gradr + <T-s-(273 + ryJ „ V 6,49 ■ e'0,044T - к-ей- f U

Исходные данные: £о-диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85-Ю12 Ф/м); /- частота электромагнитного поля, 2450 Гц; X — коэффициент теплопроводности воды; г - радиус микроорганизма, 10~6 м;

5- - площадь микроорганизма, 10"12 м2; 6 - излучатель-ная способность абсолютно черного тела, 5,7-10"8 Вт/м2-"К.

J = 0,j< 200, dT = 0,25 + 0,25■ j I

¿¡общ = Чтепл Яизл (2),

Цтепл = X-S-grad Т (3); qm = S-S-T1 (4)

Напряженность электрического поля (1) Корчагина Ю.В. и Стефана-Больцмана)

Е2 - g-g0 - 2п ■ f -tg8 ^ ^ " 4л- W

V= Vmin + 0,1 z

у > 0, Руд = 0,1 + 0,1у

Q =

Е ■ 0,27 • s • £0 ■ V • со

(6)

Потери мощности с поверхности микроорганизма (2, 3, 4)

[Живописцев E.H.]

Поглощаемая микроорганизмами мощность, Вт/м3 (5) [ Пчельников Ю. Н.]

Исходные данные: V - объём загрузки резонатора, (0,1... 1 л); с - диэлектрическая проницаемость воды при температуре 10...50Т;

е = 23,382 -е-0'024'; tg 5 - тангенс угла диэлектрических потерь молока,

tg 5 = 0,2775 .е"°'02Г; к - коэффициент, учитывающий процентное содержание воды в микроорга-

Добротность объёмного резонатора (6), [Пчельников Ю. Н.]

Необходимая энергия для нагрева микроорганизмов, (7)

Продолжительность воздействия (8)

Рисунок 3 - Алгоритм согласования параметров ЭМПСВЧ с продолжительностью воздействия и с приращением температуры молока

1.00Е-05

1.00Е-06

1 ,ООЕ-С>7

1.00Е-08

1 ,СЮЕ-09

1.00Е-10

5000 10000

Напряженность, В/см

15000

Рисунок 4 - Зависимость поглощаемой микроорганизмами мощности от ноет! напряжённости электрического поля в сравнении с мощностью теп-моло лопотерь при разных приращениях температуры молока

Исследования показывают, что при критической напряженности электрического поля 6,47 кВ/см в объёмном резонаторе, возможно примерное равенство мощности диэлектрических потерь в микроорганизмах и мощности потерь за счет их теплопередачи. При этом приращение температуры молока на 41°С достигается многократным воздействием, шагом по 0,4°С.

Рассмотрим элементы теории процесса воздействия ультразвуковых колебаний (рис. 5).

Рисунок 5 - К расчету удельной мощности ультразвуковых колебаний:

а - схема расположения пъезоэлементов под резервуаром УЗ генератора (1 - резервуар, 2 - пьезопластины, 3 - электроды, 4 - накладки); б - реальное исполнение

С учетом изменения волнового сопротивления молока в процессе его озвучивания и эквивалентной напряжённости электрического поля, воспользовавшись методикой Д.А. Гершгала, В.М. Фридмана, получили выражение для определения удельной механической мощности ультразвуковых колебаний, возбуждаемых многослойным пьезоэлектрическим преобразователем, закрепленным под нижним основанием резервуара. Она составляет 2,5...3 Вт/см".

В третьем разделе «Методика и средства экспериментальных исследований» приведены частные методики исследований и характеристики использованной измерительной аппаратуры; машинно-аппаратная схема обработки молока; описания моделей установок, позволяющих обеззараживать молоко комбинированным воздействием электрофизических факторов.

Источником СВЧ энергии служил генератор MISTERY 1720, работающий на частоте 2450 МГц, потребляемой мощностью 1100 Вт. Воздействие УФ лучами на молоко осуществляли при помощи облучателя, с лампой ДРТ 240. Ультразвуковая обработка проводилась в резервуаре ультразвуковой ванны ВУ-09-«Я-ФП» с частотой преобразователя 43 кГц. Перекачивание и регулирование скорости потока молока через рабочую камеру выполнялось циркуляционным насосом OASIS марки НЦ 25/А, а учет расхода молока - счетчиком СГВ-15 «Бе-тар». Исследование мощности потока электромагнитных излучений установки для обеззараживания молока осуществляли измерителем ПЗ-ЗЗ, а уровня звукового давления около установки - шумомером Center. Измерение жирности, плотности, содержания белка, содержания общего молочного остатка определяли с помощью анализаторов молока «Клевер-2», Milko Scan Minor 6, а кислотности молока - с помощью Нитрон-рН. Измерение температуры в продукте осуществляли с помощью цифрового контроллера температуры E5CN, а распределение теплового потока по поверхности молока контролировали тепловизором FUR Í3.

В четвертом разделе «Результаты исследования технологического процесса обеззараживания молока» приведены: исследования динамики нагрева молока воздействием ЭМП СВЧ и ультразвуковых колебаний; оценка качества молока по микробиологическим, физико-химическим и органолептическим показателям; оптимизация энергетических затрат на обеззараживание молока и режимы работы установки.

Продолжительность воздействия, с

Рисунок 6 - Динамика нагрева молока при разных удельных мощностях СВЧ генератора: 1) 7 Вт/г; 2) 4 Вт/г; 3) 1,4 Вт/г.

Экспериментальные исследования динамики эндогенного нагрева молока при удельных мощностях СВЧ генератора 7 Вт/г, 4 Вт/г и 1,4 Вт/г показывают, что за г = 120 с приращение температуры в молоке составляет 93°С, 64°С, 4 ГС соответственно (рис. 6) и графики описываются следующими эмпирическими выражениями:

Т = 9,4465т0'4974 ,Т = 9,0137г°

,Т = 9,1526т

0,3465

Воздействие ультразвуковых колебаний на молоко в стационарном режиме в резервуаре генератора удельной мощностью 0,63 Вт/г обеспечивает приращение температуры 6,5.. .8°С (рис. 7).

♦ р=7 Вт/г ■ Р= 4 Вт/г а р=1,4 Вт/г

0.4974

у = 9,4465х

„ „..,. 0,4248

—у = 9,0137х

24

22

S. 20 Я

I 18

с i

14

12 10

0 0.5 1 1,5 2 2,5 3

Продолжительность воздействия, мин

Рисунок 7 - Динамика нагрева молока при воздействии ультразвуковых колебаний

Результаты исследования распределения теплового потока в молоке при перекачивании его через рабочую камеру в турбулентном режиме в течении 80...100 с показывают, что неравномерность нагрева по объёму снижается с 18°...24°С до 1,5...2°С, по сравнению со стационарным режимом (рис. 8).

Рисунок 8 - Картина распределения теплового потока по поверхности молока: 1), 2) в контейнерах, расположенных поярусно при стационарном воздействии продолжительностью 80 с и 100 с; 3) в поточном режиме при воздействии а) ЭМПСВЧ; б) ультразвуковых колебаний; в) ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний

Доля влияния ультразвуковых колебаний на динамику нагрева составляет 14,05 %, а ЭМП СВЧ -85,95 %. Приращение температуры при комбинированном воздействии ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний на 47...48°С достигается за 200 с, при указанных удельных мощностях.

Воздействие ЭМПСВЧ на молоко удельной мощностью

б) ультразвуковых колебаний; в) ЭМПСВЧ с

с

Продолжительность воздействия 100 с

Номограмма для согласования технологических параметров установки с режимами работы (рис. 9) представляет собой последовательность действий при регистрации экспериментальных и теоретических исследований. Снижение бактериальной обсемененности молока при его облучении в турбулентном режиме через молокопровод из увиолевого стекла происходит по экспоненциальному закону Б = 4,7636-е0 001т.

Воздействие на молоко ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний в рабочей камере сопровождается тепловыделением в объёме продукта. Приращение температуры молока в объёмном резонаторе СВЧ генератора составляет 41°С. При истечении молока в УЗ резервуар происходит комплексное воздействие на молоко краевого потока мощности ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний. Общее

приращение температуры молока в рабочей камере достигает 47...48°С. Известно, что при кавитационном воздействии в молоке разрушаются коллоиды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии, поэтому микроорганизмы становятся уязвимыми перед последующими физическими воздействиями электромагнитных излучений. Оценка влияния кавитационной обработки молока в сочетании с воздействием бактерицидного потока УФ лучей на содержание КМАФАнМ показала, что после циклической обработки молока в разработанной установке количество микроорганизмов снизилось с 5,1-Ю6 до 1,8-106 КОЕ/см3; при воздействии ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний бактериальная обсемененность составила 0,9-106 КОЕ/см3.

Пользуясь методикой активного планирования трехфакторного эксперимента и программой «Statistic V5.0», построены модели производительности, приращения температуры молока, энергетических затрат на обеззараживание и снижения общего микробного числа. Двумерные сечения в изолиниях моделей энергетических затрат и бактериальной обсемененности молока, при постоянной удельной мощности УЗ генератора равной 0,25 Вт/г, приведены на рис. 10.

Рисунок 10 - Двумерные сечения в изолиниях трехфакторных моделей:

энергетических затрат на обеззараживания молока (а) и снижение бактериальной обсемененности в нем (б)

а)

|

¿gal

•sssmms.

б)

Щ''

Рисунок 11 - Установка для обеззараживания молока комбинированным воздействием ЭМП СВЧ, ультразвуковых колебаний и потока УФ излучений (а) и расположение резонаторной камеры в экранирующем корпусе (б, в)

На рис. 11 приведена установка для обеззараживания молока комбинированным воздействием электрофизических факторов, техническая характеристика сведена в табл.1.

Характеристика Показатели

Производительность, л/ч 15...20

Температура молока, °С: начальная конечная 6...10 57...60

Потребляемая мощность СВЧ генератора, кВт 1,1

Потребляемая мощность УЗ генератора, кВт 0,25

Мощность УФ облучателя, кВт 0,24

Мощность насоса, кВт 0,025

Мощность установки, кВт 1,6

Удельные энергетические затраты, кВт-ч/л 0,08...0,11

Габаритные размеры, мм 1200x600x1100

В ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в ЧР» проведена оценка пищевой ценности молока опытных и контрольного образцов. Контроль органолептических, физико-химических и микробиологических показателей обеззараженного молока проводился в соответствии с ГОСТ Р 54761-11, ГОСТ Р 54077-10, ГОСТ Р 53430-09. Результаты подтверждены протоколами испытаний № 988, 1009, 1049, 1050. При этом испытано 10 образцов в 4-х кратной повторности (табл. 2).

Таблица 2 - ]

Образцы Физические факторы Продолжительность воздействия, с

1 контрольный -

2 поток УФ излучений 100

о J ультразвуковые колебания (УЗ) 100

4 УЗ и УФ 200

5 ЭМПСВЧ 100

6 ЭМПСВЧ и УФ 200

7 ЭМПСВЧ и УЗ 200

8 комбинированное воздействие 150

9 комбинированное воздействие 250

10 комбинированное воздействие 350

Бактериальная обсемененность молока, обеззараженного комбинированным воздействием электрофизических факторов продолжительностью 250 с и 350 с, снизалась с 5,1-Ю6 КОЕ/см3 до 100000 и 50000 КОЕ/см3 соответственно.

Номера образцов

Рисунок 12 — Сравнительная характеристика результатов исследования ОМЧ опытных и контрольных образцов

Исследование зависимости мощности потока излучений от расстояния до установки для обеззараживания молока проводилось в ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашии». Изменение мощности потока излучения установки от расстояния до неё при разной высоте замера представлены на рис. 13.

Рисунок

График изменения мощности потока излучения от растояния до источника

В пятом разделе «Экономическая оценка результатов исследований» представлено технико-экономическое обоснование результатов исследований, основанное на сопоставлении приведенных затрат по базовой и новой технике.

>ч

с

2 5

я °

О "

° £

о Н

с Ш

350 -

♦ Высота замера, 0,5 м ш Высота замер -1 м Высота замера -1,7 м

у = 225,75х 05503 у — 135,75х114836 у = 41,435х1'2мз

1 1,5 2

Расстояние до установки, м

200

150 1 50

Ожидаемый экономический эффект от применения установки для обеззараживания молока комбинированным воздействием электрофизических факторов в малых фермерских хозяйствах составляет 214 тыс. руб./год при объёме выпускаемой продукции свыше 60480 кг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработанный технологический процесс обеззараживания молока позволяет снизить бактериальную обсемененность молока с 5,1-106 КОЕ/см3 до 100000 КОЕ/см3 при многократном комбинированном воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты, ультразвуковых колебаний и бактерицидного потока ультрафиолетовых лучей до приращения температуры нагрева 56...60°С.

2. Разработанный алгоритм и программное обеспечение для согласования конструктивно-технологических параметров установки с режимами ее работы позволил выявить критическую напряженность электрического поля СВЧ диапазона равную 6,47 кВ/см3, при которой происходит выравнивание мощности диэлектрических потерь с мощностью теплопотерь микроорганизмами, если шаговое приращение температуры 0,4°С.

3. На основе полученных математических выражений оценена излучаемая удельная механическая мощность ультразвуковых колебаний при наложении краевого электрического поля СВЧ диапазона на молоко, излучаемого через перфорацию объемного резонатора. Она составляет 2,5...3 Вт/см2.

4. Разработанная установка для обеззараживания молока производительностью 18...20 л/ч, содержащая рабочую камеру, выполненную в виде цилиндрического перфорированного объёмного резонатора (3,4 л) СВЧ генератора (700 Вт), состыкованного с резервуаром с ультразвукового генератора, и источник УФ лучей (240 Вт), установленный параллельно молокопроводу из увиолевого стекла, обеспечивает при перекачивании молока с помощью насоса снижение энергетических затрат с (0,1.. .0,2) до (0,08.. .0,11) кВт'ч/кг.

5. Выявленные эффективные режимы работы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающие улучшение микробиологических и органолептических показателей молока, подтверждены результатами апробирования установки с потребляемой мощностью 1,6 кВт в производственных условиях; ожидаемый экономический эффект от применения установки в фермерских хозяйствах составляет 214 тыс. руб./год за счет повышения цены реализации молока с улучшенными микробиологическими показателями;

6. Перспективы дальнейшей разработки темы. На основе результатов полученных исследований с использованием теории подобия разработать установку для обеззараживания молока комплексным воздействием электрофизических факторов для крупных перерабатывающих предприятий молочной промышленности.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

- публикации в изданиях, определенных ВАК РФ:

1. Родионова, А. В. Экономическая эффективность применения установки для обеззараживания молока комплексным воздействием физических факторов / А. В. Родионова // Вестник ФГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. ИЛ. Яковлева». - Чебоксары: ЧГГТУ, 2011, № 2 (74) - С 118...121.

2. Родионова, А. В. Технология пастеризации молока комбинированным воздействием электромагнитных излучений разных длин волн /А.В. Родионова, М.В. Белова, Г. А. Александрова, О. В. Михайлова // Вестник ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева». -Чебоксары: ЧГПУ, 2013,№2 (78).- С. 122...125.

3. Родионова, А. В. Обоснование режимов работы установки для обеззараживания молока /А. В. Родионова, Г.В. Новикова // Вестник ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева». - Чебоксары: ЧГПУ, 2013, № 4 (80). - С. 46.. .48.

4. Родионова, А. В. Электропастеризатор молока /А. В. Родионова, Г.В. Новикова // Вестник ФГОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет». - Казань: КГАУ, 2013, № 3 (29). - С. 80...83.

- публикации в сборниках научных трудов и материалов конференций:

5. Родионова, А. В. Ультразвуковая обработка молока /А. В. Родионова, Г. В. Новикова // Материалы XII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства», посвященной 80-летию ФГБОУ ВПО ЧГСХА. - Чебоксары: ЧГСХА, 2011. - С. 313...315.

6. Родионова, А. В. Устройство для ультразвуковой обработки /А.В. Родионова //Материалы - республиканского конкурса инновационных проектов по программе "Участник молодежного научно-инновационного конкурса" У.М.Н.И.К. - 2011 в рамках республиканского молодежного научно-образовательного форума "Первый шаг вперед". - Чебоксары: Волжский филиал МАЛИ, 2011.-С. 111...112.

7. Родионова, А. В. Устройство для ультразвуковой обработки молока /А.В. Родионова, Г.В. Новикова //Материалы всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству», посвященная 80-летию ФГБОУ ВПО ЧГСХА. - Чебоксары: ЧГСХА, 2011, - часть 2. - С. 102... 104.

8. Родионова, А. В. Ультразвуковой пастеризатор молока / А. В. Родионова // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». Выпуск 14,- Йошкар-Ола: ФБГОУ ВПО Марийский ГУ,2012. - С. 153...154.

9. Родионова, А. В. Установка для обеззараживания молока / А. В. Родионова, М. В. Белова // Материалы международной научно-практической конференции Института механизации и технического сервиса Казанского ГАУ «Перспективные технологии и технические средства в АПК». - Казань: ФБГОУ В ПО Казанский ГАУ, 2013.-С. 126... 128.

10. Родионова, А. В. Разработка установки для ультразвуковой обработки молока /A.B. Родионова // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». Выпуск 15. —Йошкар-Ола: ФБГОУ ВПО Марийский ГУ, 2013.- С. 146...147.

11. Родионова, А. В. Установка для обеззараживания молока / А. В. Родионова // Материалы международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей «Знания молодых: наука, практика и инновации». В 2 ч. Ч. 2. Технические и экономические науки.—Киров: ФБГОУ ВПО Вятская ГСХА, 2013. - С.49...51.

12. Родионова, А. В. Технология обеззараживания молока комплексным воздействием электромагнитных излучений разных длин волн / А. В. Александрова // Материалы ХХП международной заочной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике». - Новосибирск: СибАК, 2013. —С. 98...103.

13. Anastasiya, Rodionova. Features of the device for ultrasonic homogenization of milk // European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches, proceedings of the 4th International scientific conference. ORT Publishing. Stuttgart. 2013.-P. 91...92.

14. Родионова, А. В. Повышение эффективности низкотемпературной обработки молочных продуктов /A.B. Родионова// Материалы XII международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии». - Липецк: Гравис, 2013.-С. 122...125.

Подписан в печать 2013 г. Формат 60x84/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»

На правах рукописи

04201450185

РОДИОНОВА Анастасия Валерьевна

УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА КОМБИНИРОВАННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ^ИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

В ФЕРМЕРСКИХ ХОЗЯЙСТВАХ

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д. т. н., профессор Г.В. Новикова

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10

1.1 Анализ объема производства и переработки молока 10

1.2 Физико-химические и микробиологические параметры молока 11

1.3 Существующие способы и технические средства для обеззараживания жидких продуктов с использованием электрофизических факторов 14

1.4 Выводы. Цель и задачи исследования 23

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА 26

2.1 Технологический процесс обеззараживания молока воздействием физических факторов 26

2.2 Обоснование напряженности электрического поля в объемном резонаторе СВЧ генератора, позволяющей обеззараживать молоко 27

2.3 Обоснование электроакустического режима работы излучателя ультразвуковых колебаний 39

2.4 Согласование продолжительности обеззараживания в рабочей камере со скоростью истечения молока 51

2.5 Выводы 55

3 М ВАТ ЕТОДИКА И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДО-[ИЙ 56

3.1 Программа экспериментальных исследований 57

3.2 Частные методики исследований и использованная измерительная аппаратура 58

3.3 Машинно-аппаратная схема производства пастеризованного молока 61

3.4 Разработанные установки для обработки молока воздействием физических факторов 65

3.5 Выводы 79

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА 82

4.1 Схема технологического процесса воздействия физических факторов на молоко 82

4.2. Результаты экспериментальных исследований динамики нагрева молока 86

4.3 Результаты экспериментальных исследований снижения бактериальной обсемененности 90

4.4 Определение эффективных режимов работы установки для обеззараживания молока 100

4.5 Исследование органолептических и физико-химических показателей молока 101

4.6 Выводы 104

5 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 107

5.1 Технико-экономическая оценка применения СВЧ установки для пастеризации молока в фермерских хозяйствах 107

5.2 Выводы 114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115

ЛИТЕРАТУРА 116

ПРИЛОЖЕНИЯ 126

Приложение А. Акты (справки) об использовании (внедрении) научно-исследовательской работы в учебном процессе 127

Приложение Б. Акт апробирования научно-исследовательской работы в производственных условиях 129

Приложение В. Протокол измерений электромагнитных излучений около установки 133

Приложение Г. Протокол экспертной оценки качества продукта 135

Приложение Д. Документы о регистрации заявки на изобретения 145

Приложение Е. Матрицы планирования экспериментов и расчетные коэффициенты для построения поверхностей отклика и двухмерных сечений моделей 153

Приложение Ж. Материалы промежуточных расчетов 155

Приложение 3. Основные узлы и детали установки 158

Приложение И. Дипломы 160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Объём производства молока по статистическим данным за 2010...2012 г.г. по Российской Федерации (РФ) и Чувашской Республике (4P) составляет 31916 и 490 тыс. тонн/год соответственно. Причем годовой объём молока, произведенного в условиях хозяйств населения 4P, составляет 250 тыс. тонн. В рамках государственной программы развития сельского хозяйства (с.-х.) и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013.. .2020 годы большое внимание уделяется увеличению производства молочной продукции. По итогам реализации программы ожидается увеличение объема переработанного молока до 36 млн. тонн в год, производимого в фермерских и личных подсобных хозяйствах. Его исходная бактериальная обсемененность может достигнуть 6* 106 ...107 КОЕ/см3. Традиционные способы обеззараживания молока эффективны в случае обсемененности молока

о

до 1 млн. КОЕ/см и при этом энергетические затраты достигают до 0,016...0,025 кВгч/л. В связи, с чем возникает необходимость обеззараживания молока непосредственно в фермерских хозяйствах с использованием электрофизических факторов. Поэтому разработка технологии и технического средства для обеззараживания молока комбинированным воздействием физических факторов, является актуальной.

Степень разработанности темы. Существенный вклад в развитие теории пастеризации молока и в разработку конструкции аппаратов для его осуществления внесли такие ученые как: Бредихин С.А., Кавецкий Г.Д., Ковалев Ю.А., Карташов Л.П., Крусь Г.И., Курочкин A.A., Плаксин Ю.М. и др. Их работы в значительной мере способствовали изучению технических средств, предназначенных для обеззараживания молока. Однако в трудах этих и многих других ученых слабо представлены теоретические предпосылки расчета доз воздействия физических факторов, особенно при комбинировании.

Предлагается проводить обеззараживание молока комбинированным воздействием физических факторов, таких как электромагнитное поле сверхвысокой частоты, ультразвуковые колебания и бактерицидный поток ультрафиоле-

товых лучей, в технологической линии обработки молока при фермерских хозяйствах и на предприятиях малой мощности.

Целью настоящей работы является разработка и обоснование конструктивно-технологических параметров и режимов работы установки для обеззараживания молока комбинированным воздействием физических факторов при сниженных энергетических затратах. Основные научные задачи:

- разработать технологическую схему обеззараживания молока многократным комбинированным воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты, ультразвуковых колебаний и бактерицидного потока ультрафиолетовых лучей;

- разработать алгоритм согласования напряженности электрического поля, емкости и добротности объёмного резонатора с мощностью СВЧ генератора и приращением температуры молока, достаточным для его обеззараживания; получить математические выражения, позволяющие оценить излучаемую удельную механическую мощность ультразвуковых колебаний при наложении электрического поля СВЧ диапазона на молоко;

- разработать установку, содержащую в рабочей камере источники электромагнитного поля сверхвысокочастотного диапазона, ультразвуковых колебаний и ультрафиолетовых лучей, позволяющую обеззараживать молоко в процессе многократной циркуляции;

- выявить рациональные режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающие улучшение микробиологических показателей молока при сниженных энергетических затратах;

- провести опытно-производственную проверку установки и определить энергетическую и экономическую эффективность её применения;

Объектыисследования: методы и технические средства для обеззараживания молока; процесс воздействия физических факторов на молоко; молоко

Предметом исследования является выявление закономерностей рабочего процесса обеззараживания молока воздействием физических факторов.

Методы исследования. В теоретических исследованиях применены основы теории электромагнитного поля, ультразвукового воздействия и ультрафиолетового излучения. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с разработанными частными методиками с применением современного оборудования и измерительных приборов. Основные расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с применением методов математической статистики и регрессионного анализа при использовании теории активного планирования многофакторного эксперимента.

Научную новизну результатов исследования представляют:

- алгоритм согласования конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающей обеззараживание молока комбинированным воздействием физических факторов с режимами ее работы;

- математические выражения, позволяющие оценить излучаемую удельную механическую мощность ультразвуковых колебаний при наложении электрического поля СВЧ диапазона на молоко;

- установка для обеззараживания молока, содержащая рабочую камеру, выполненную в виде цилиндрического перфорированного объёмного резонатора СВЧ генератора, состыкованного с резервуаром с ультразвукового генератора, причем источник УФ лучей установлен параллельно молокопроводу из увиолево-го стекла, позволяющему перекачивать молоко с помощью насоса (заявки на изобретения № 2013120377 от 08.07.2011 г., № 2013103937 от 29.01.2013 г.);

- эффективные режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающие улучшение микробиологических показателей молока при сниженных энергетических затратах.

Практическую значимость представляет изготовленная и апробированная в производственных условиях установка для обеззараживания молока воздействием физических факторов, позволяющая улучшить микробиологические показатели при сниженных энергетических затратах; возможность использования конструкторскими организациями, полученных теоретических и экспери-

ментальных результатов исследований и предложенного алгоритма согласования параметров установки

Реализация результатов исследований. Разработка установки для обеззараживания молока проводилась в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА, в рамках тематического плана Министерства сельского хозяйства РФ по разделу «Нанотехнологии». Исследование процесса обеззараживания молока осуществлялось в лаборатории «Электротехнологии» ФГБОУ ВПО ЧГСХА, проверку установки в производственных условиях проводили в ООО "Козловский молочный завод" ЧР. Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ЧГСХА, ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», ФГБОУ ВПО «Мордовский ГУ им. Н.П. Огарева», институт механики и энергетики.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены:

- на всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (г. Чебоксары, ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2011...2013 г.г.); в V республиканском конкурсе инновационных проектов «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (г.Чебоксары, Волжский Филиал ФГБОУ ВПО «МАДИ», 17.11.2011 г.); в XV международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (г. Йошкар-Ола, ФГБОУ ВПО «Марийский ГАУ», 21.02.2013 г.); на международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и технические средства в АПК» (г. Казань, ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 23.04.2013 г.); во II республиканском фестивале научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» (г. Чебоксары, 04.06.2013 г.).

Установка демонстрировалась на республиканском фестивале научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» (04.06.2013 г.); выстав-

ке, посвященной Дню работников сельского хозяйства (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 08.11.2013 г.).

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационных исследований удостоены:

- стипендии президента Российской Федерации (приказ №136 от 28.02.2013 г.)

- гранта молодежного научно-инновационного конкурса (У.М.Н.И.К. - 2009 г.,

2010 г., г. Чебоксары).

- дипломов и сертификатов: за 1 место во II республиканском фестивале научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Чувашия» (г. Чебоксары, Министерство образования и молодежной политики ЧР, 2013 г.); за активное участие в республиканском конкурсе «Молодой изобретатель Чувашской Республики», ВОИР, 2011 г.); на VII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО ЧГСХА», 2011...2013 г. г.); на XV международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 2013 г.); на международной научно-практической конференции «Перспективные технологии и технические средства в АПК» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 2013 г.); на V республиканском конкурсе инновационных проектов «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (Волжский Филиал ФГБОУВПО «МАДИ»,

2011 г.);

Публикации. Результаты исследований отражены в 14 научных работах, в том числе 4 из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК при Министерстве образования и науки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 170 страницах и состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы, включающего 136 наименований, приложений. В диссертационной работе содержится 75 рисунков и 23 таблиц.

Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:

- технологический процесс обеззараживания молока многократным воздействием физических факторов;

- алгоритм согласования конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающей обеззараживание молока комбинированным воздействием физических факторов с режимами ее работы;

- математические выражения, позволяющие оценить излучаемую удельную механическую мощность ультразвуковых колебаний при наложении электрического поля СВЧ диапазона на молоко;

- установка для обеззараживания молока, содержащая рабочую камеру, выполненную в виде цилиндрического перфорированного объёмного резонатора СВЧ генератора, состыкованного с резервуаром с ультразвукового генератора, причем источник УФ лучей установлен параллельно молокопроводу из увиолево-го стекла, позволяющему перекачивать молоко с помощью насоса;

- эффективные режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки, обеспечивающие улучшение микробиологических показателей молока при сниженных энергетических затратах.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Анализ объема производства и переработки молока

В рамках государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013...2020 годы большое внимание уделяется увеличению производства молочной продукции. По итогам реализации программы ожидается увеличение переработанного молока до 36 млн. тонн, повышение товарности молока, производимого в фермерских и личных подсобных хозяйствах [128, 129, 130]. Исходная бактериальная обсемененность молока, произведенного в условиях хозяйств нас е-

г? -5

ления, может достигнуть 6-10°... 1-10'КОЕ/смл. Объём молока такого качества составляет около 250 тысяч тонн в год. В связи, с чем возникает вопрос о необходимости первичной обработки молока при фермерских хозяйствах с целью его обеззараживания. Достижение положительных результатов в этом направлении возможно во многом при перевооружении предприятий молочной промышленности и фермерских хозяйств с учётом достижений научно-технического прогресса в части снижения энергетических затрат и улучшения качества обрабатываемой продукции. Поэтому разработка инновационной технологии и технического средства для обеззараживания молока с использованием физических факторов, их комбинированным и (ли) комплексным воздействием является актуальной [3, 6, 15, 16, 21, 27, 28, 29, 34, 36, 37, 41, 45, 46, 47].

Предлагается проводить обеззараживание молока комбинированным воздействием физических факторов, таких как электромагнитное поле сверхвысокой частоты, ультразвуковые колебания и бактерицидный поток ультрафиолетовых лучей, в технологической линии первичной обработки молока при фермерских хозяйствах и на предприятиях малой мощности.

11 РФ В ЧР И Предприятия малой мощности

Рисунок 1.1 - Сравнительная характеристика объёмов переработки молока

1.2 Физико-химические и микробиологические параметры молока

Химический состав молока. Молоко содержит 87,5% воды, 12,5% сухих веществ, в состав которых входят 3,3% белков, 3,5 - жира, 4,7 - молочного сахара, минеральных веществ - 1 %; имеются витамины, ферменты, иммунные тела, газы и другие. В молоке содержится три полноценных белка: казеин - 2,7%, альбумин - 0,5 и глобулин - 0,1% [13, 84, 86, 86, 94, 110 ].

В состав жира молока входит более 20 незаменимых жирных кислот. В молоке жир представлен в виде жировых шариков, каждый из которых окружен белковой оболочкой. В 1 мл молока содержится от 1,5 до 3 млрд. шариков жира, их средний диаметр равен от 2 до 2,5 мкм [13].

Физические свойства молока [8, 10, 13,14, 29, 31, 33, 52, 58]. К ним относятся плотность, вязкость, поверхностное натяжение, оптические свойства, осмотическое давление, температура замерзания, электропровод�