автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Установка для обработки кишечного сырья убойных животных с применением УЗ и СВЧ генераторов

На правах рукописи

ЗУЕВА Наталия Алексеевна

Установка для обработки кишечного сырья убойных животных с применением УЗ и СВЧ генераторов

05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2014

7 АВГ 2014

005551536

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:

Сторчевой Владимир Федорович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», проректор по УР;

Овчукова Светлана Александровна, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Марийский государственный университет», профессор кафедры «Электроснабжение и технической диагностики». Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный аграрный университет».

Защита состоится 30 2014 г. в ^ часов на заседании диссер-

тационного совета Д 006.037.01 при Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства ФАНО России» по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2, ГНУ ВИЭСХ ФАНО России, viesh@dol.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства ФАНО России».

Автореферат разослан «28» июля 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

А.И. Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. По статистическим данным средний объем кишечного сырья по РФ составляет 278 588 т/год, а по ЧР - 549 т/год. Каждый мясокомбинат средней мощности обрабатывает 1,5... 1,8 т/сутки кишечного сырья. В связи с этим, поиск технологии, обеспечивающей качественную обработку кишечного сырья убойных животных и использование его в виде натуральной оболочки колбасных изделий, актуален.

Технологический процесс обработки кишечного сырья трудоемок и включает ряд механических, тепловых и биохимических операций: освобождение от содержимого, обезжиривание, удаление слизистой оболочки (шлямовка), охлаждение, консервирование, калибровку и упаковку. На сельских убойных пунктах большим затруднением является удаление с поверхности кишок балластных оболочек (жира и слизистой оболочки). В этих условиях после операции отжатая с поверхности кишечного сырья удаляют жир и промывают, выворачивают и погружают на 4 ч. в чаны с 20%-ным раствором поваренной соли, содержащим 1 % щавелевой кислоты и 2 % хлористого кальция.

Известно, что для обработки кишечного сырья применяют разные механические устройства с рифлеными валковыми механизмами. Кишечное сырье при протягивании между отжимными вальцами подвергается мятию с соскабливающим воздействием, ввиду чего оболочки разрыхляются и их можно удалить с основной пленки на шлямодробильной машине. При этом кишки приходится сильно подтягивать и чрезмерно сдавливать, что нарушает их прочность, и они рвутся. Исключить эти недостатки в полной мере на базе традиционных методов обработки кишечного сырья чрезвычайно затруднительно, что является причиной необходимости поиска новых эффективных методов обработки. В разработанной установке для обезжиривания кишечного сырья убойных животных предлагается использовать комбинированное воздействие ультразвуковых (УЗ) колебаний и электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). При данном способе обеспечивается получение широкого ассортимента натуральных оболочек для колбасных изделий из кишечного сырья. Обезжиривание и обеззараживание кишечного сырья происходит за счёт совместного действия разных нелинейных эффектов, возникающих в жидкости под действием мощных УЗ колебаний и ЭМПСВЧ. Для этого необходимо обосновать интенсивность УЗ колебаний и напряженность электрического поля СВЧ диапазона, позволяющих обезжиривать сырье и разрушить клеточную мембрану микроорганизмов. Известно, что при ка-витационном воздействии в сырье разрушаются коллоиды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии. Эффективность ультразвукового воздействия повышается с увеличением температуры обрабатываемого сырья за счет воздействия ЭМПСВЧ. Поэтому диэлектрический нагрев кишечного сырья обеспечивает эффективное разрушение защитных оболочек микроорганизмов. В связи с чем, технология обработки кишечного сырья предусматривает последовательное многократное воздействие УЗ колебаний и ЭМПСВЧ.

Степень разработанности темы. Большой вклад в разработку способов обработки кишечного сырья убойных животных внесли работы известных ученых: В.И. Ивашова, А.И. Бредихина, А.И. Пелеева, В.М. Горбатова, И.А. Рогова, М.Л. Файвишевского и др. Несмотря на наличие различных подходов к способам и средствам обработки кишечного сырья убойных животных в работах ученых

недостаточное внимание уделено влиянию многих технологических факторов на качество оболочки колбасных изделий. Анализ исследований, выполненных многими авторами, позволяет выделить основные технологические операции, требующие дальнейшего совершенствования: операция обезжиривания (удаление жира с поверхности) и обеззараживания кишечного сырья.

Целью настоящей работы является обоснование и разработка параметров установки для обработки кишечного сырья убойных животных воздействием ультразвуковых колебаний и электромагнитного поля сверхвысокой частоты, обеспечивающих улучшение качества сырья.

Объектом исследования являются технологический процесс обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных и установка для его реализации.

Предметом исследования является выявление закономерностей процесса комбинированного воздействия физических факторов на кишечное сырье убойных животных.

Концепция. Руководствуясь теорией электромагнитных волн и ультразвуковых колебаний, решена научно-техническая задача - разработка установки, обеспечивающей эффективное обезжиривание и обеззараживание кишечного сырья убойных животных за счет многократного комбинированного воздействия УЗ колебаний и ЭМПСВЧ.

Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории электромагнитного поля СВЧ диапазона и ультразвуковых колебаний. Экспериментальные исследования проводились по общепринятым методикам, с применением электронной цифровой регистрирующей аппаратуры. Основные расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с применением методов математической статистики и регрессионного анализа при использовании теории активного планирования многофакторного эксперимента. Структуру кишечного сырья и качество оболочки для колбасных изделий оценивали через органолептические, физико-химические и микробиологические показатели по методикам, рекомендованным соответствующим ТУ 10.02.01.14891 «Кишки свиные обработанные».

Научную новизну результатов исследования представляют:

- методика, позволяющая обосновать параметры рабочего органа и режимы работы установки, обеспечивающей обезжиривание и обеззараживание кишечного сырья убойных животных комбинированным воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты и ультразвуковых колебаний;

- закономерности влияния режимов работы установки на снижение бактериальной загрязненности, динамику нагрева кишечного сырья с учетом изменения его диэлектрических и физико-механических параметров в процессе обработки;

- установка, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде передвижных сферических перфорированных резонаторов СВЧ генераторов в тороидальном волноводе, служащем экранирующим корпусом и резервуаром ультразвукового генератора (заявка на изобретение № 2014100559 «Установка для обработки кишок убойных животных» от 09.01.2014 г.);

- электротехнология обработки кишечного сырья убойных животных, рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки с

применением СВЧ и УЗ генераторов, обеспечивающих улучшение качества оболочки колбасных изделий при сниженных эксплуатационных затратах.

Практическую значимость представляют:

- изготовленная и апробированная в производственных условиях установка для обработки кишечного сырья убойных животных, позволяющая улучшить качество оболочки колбасных изделий при сниженных эксплуатационных затратах;

- методика обоснования эффективных режимов обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных воздействием УЗ колебаний и ЭМПСВЧ в передвижных сферических перфорированных резонаторах, расположенных в тороидальном резервуаре УЗ генератора; конструкторская документация установки для обработки кишечного сырья убойных животных.

Реализация результатов исследований. Исследования проведены в рамках тематического плана Министерства сельского хозяйства РФ, раздел «Нанотехно-логии». В соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА исследования технологического процесса обработки кишечного сырья убойных животных осуществлялись в лаборатории «Электротехнологии». Апробирование технологии и разработанной установки осуществляли в процессе производства колбасных изделий в мясном цехе ОАО «Приволжское» Чебоксарского района 4P. Результаты научных исследований используются в учебном процессе следующих вузов: ФГБОУ ВПО ЧГСХА, ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», AHO ВПО «Региональный институт технологии и управления», ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА», ФГБОУ ВПО «Мордовский ГУ имени Н.П. Огарева».

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены, обсуждены и удостоены дипломов и сертификатов за активное участие:

- на всероссийских и международных научно-практических конференциях «Повышение эффективности механизации с.-х. производства», «Молодежь и инновации», «Аграрная наука - основа успешного развития АПК», «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства», «Достижения современной науки в области энергосбережения» (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2011...2014 г.г.);

- на международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 2011 ...2014 г.г.);

- на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии и технического обеспечения сельскохозяйственного производства» (ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 2012 г., 2014 г.);

- на республиканском конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов, молодых ученых и специалистов «Наука XXI века» (20.03.2014 г.).

Публикации. Результаты исследований отражены в 16 научных работах, в том числе в 3 - из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК при Министерстве образования и науки РФ и монографии «Установка для обработки кишечного сырья убойных животных», объемом 9,5 пл.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 150 наименований и приложений. Работа изложена на 150 страницах, содержит 60 рисунков и 34 таблицы.

Основные результаты исследования и положения, выносимые на защиту:

- конструктивная схема установки, обеспечивающей обезжиривание и обеззараживание кишечного сырья убойных животных с применением сверхвысокочастотных и ультразвуковых генераторов;

- математические зависимости и методика, позволяющие обосновать конструктивно-технологические параметры и режимы работы установки для обработки кишечного сырья убойных животных с применением СВЧ и УЗ генераторов;

- разработанная и апробированная в производственных условиях установка для обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде передвижных сферических перфорированных резонаторов СВЧ генераторов с возможностью их опрокидывания, расположенных в кольцевом волноводе, выполняющем функции резервуара УЗ генератора и экранирующего корпуса, содержащего загрузочное и выгрузное окна;

- разработанный технологический процесс обработки кишечного сырья убойных животных, обоснованный комплекс конструктивно-технологических параметров и рабочих режимов установки, обеспечивающей улучшение качества оболочки колбасных изделий при сниженных эксплуатационных затратах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, обозначены проблемные моменты в процессе обработки кишечного сырья убойных животных, охарактеризованы решаемые в работе задачи, научная новизна и практическая значимость выполненных исследований, выделен объект исследований, а также приведены основные положения, выносимые на защиту. Основываясь на существующих способах и технических средствах для обработки кишечного сырья убойных животных, нами предлагается осуществить обезжиривание кишечного сырья в установке с использованием УЗ и СВЧ генераторов.

В первом разделе «Состояние вопроса и задачи исследования» приведен анализ ресурсов и объемов перерабатываемого сырья, существующих технических средств, предназначенных для обезжиривания и шлямовки кишечного сырья, определены задачи исследований. Проанализированы физико-механические и диэлектрические параметры жира и кишечного сырья убойных животных как объект исследования и определены методы решения поставленных задач.

Анализ литературных источников по электротехнологии (Азаров Б.М., Стребков Д.С., Башилов A.M., Воробьев В.А., Кудрявцев И.Ф., Рудобашта С.П., Растимешин С.А., Цугленок Н.В.) и по процессам и аппаратам (Кавецкий Г.Д., Лыков A.B., Плаксин Ю.М., Гинзбург A.C., Сыроедов В.И., Лебедев П.Д. и др.)

позволил усовершенствовать технологию обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных и разработать эффективную модель установки с УЗ и СВЧ генераторами. К основополагающим работам в этой области следует отнести труды академиков Бородина И.Ф. и Рогова И.А., раскрывающие как общефизические, так и биотехнологические аспекты применения энергии электромагнитных излучений СВЧ диапазона и УЗ колебаний. Исследованию электромагнитных процессов в волноводах и объемных резонаторах посвящены работы Атабекова Г.И., Введенского Б.А., Неймана М.С., Рытова С.М. и др.

Основные научные задачи:

1. Разработать операционно-технологическую схему обработки кишечного сырья убойных животных для подготовки натуральной оболочки колбасных изделий и схему конструктивного исполнения установки с использованием УЗ и СВЧ генераторов.

2. Разработать методику и вывести математические зависимости, позволяющие согласовать конструктивно-технологические параметры с режимами работы установки для обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных.

3. Изготовить и апробировать в производственных условиях опытный образец установки для обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных; выявить рациональные конструктивно-технологические параметры и режимы его работы.

4. Провести сравнительную оценку качества кишечной оболочки на основе орга-нолептических, физико-химических и микробиологических показателей; провести технико-экономическую оценку применения установки с УЗ и СВЧ генераторами для обработки кишечного сырья убойных животных.

Во втором разделе «Теоретическое обоснование параметров установки для обработки кишечного сырья убойных животных» приведены структура моделирования технологического процесса воздействия физических факторов на кишечное сырье; методика согласования конструктивных параметров с режимами работы установки для обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья; схема технологического процесса воздействия УЗ колебаний и ЭМПСВЧ на кишечное сырье, находящегося в передвижных сферических перфорированных резонатор-ных камерах; методика обоснования параметров запредельного волновода; гипотеза о механизме комбинированного воздействия УЗ колебаний и ЭМПСВЧ; сравнительный анализ мощности диэлектрического нагрева микроорганизмов при разной напряженности электрического поля и мощности тепловых потерь при различных приращениях температуры сырья; обоснование объема жидкости в резервуаре УЗ генератора.

Технологический процесс обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья с использованием УЗ и СВЧ генераторов осуществляется следующим образом.

Кишечное сырье со шлямами при нахождении в сферической резонаторной камере, погруженной в моющую жидкость, подвергается воздействию ультразвуковых колебаний. Это обеспечивает раздробление не только жировых тканей, но и раздробление колоний микроорганизмов (рис. 1).

Тогда, при воздействии электрического поля определенной напряженности СВЧ диапазона, происходит затормаживание развития бактериальной микрофлоры, а слои жира растапливаются и выводятся с моющей жидкостью за пределы тороидального экранирующего корпуса. Обезжиренное и обеззараженное кишечное сырье выгружается путем опрокидывания нижних перфорированных полусфер резонаторных камер. СВЧ генератор обеспечивает обеззараживание сырья в процессе раздробления жировой ткани, в том числе и колоний микроорганизмов, за счет воздействия УЗ колебаний. Разрушительное воздействие ультразвуковой кавитации на колонии микроорганизмов способствует снижению бактериальной обсемененности кишечного сырья, освобожденного от жировых тканей при наложении электрического поля СВЧ диапазона.

7

[ Воздейстбуацие факторы\

УЗ колебания

ЗИПСВЧ

СИ

Раздроблемые

Кишечное сырье со шлямами

Растопленные жиробые ткани

Раздробленные колонии микроорганизмаб

| "Ноющая жидкость^ 1 Слаб отходоб

Кишечное сырье \ без шлямоб ;

Затормажибание разбития бактериальной микрофлоры

Очищенное от шлямоб и обеззараженное •; кишечное сырье

Рисунок 1 — Схема процесса комбинированного воздействия УЗ колебаний и ЭМПСВЧ на кишечное сырье

1. Анализ годового объема обрабатываемого сырья для определения необходимой производительности установки

2. Анализ диэлектрических и физико-механических характеристик сырья

е - диэлектрическая проницаемость сырья; tgб - тангенс угла диэлектрических потерь сырья; с - удельная теплоемкость сырья, кДж/кг»°С; £<, - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85- 10*12 Ф/м); р - плотность сырья, кг/м3; f - частота, МГц.

3. Глубина проникновения энергии электромагнитных излучений СВЧ диапазона в сырье

(линейный размер сырья не должен превышать удвоенного значения глубины проникновения энергии ЭМИ).

9,55-10' (1)

Г =-т=, си.

4. Удельная мощность СВЧ генератора

Р„ =Вт/мК />„ =с-р- — --,Вт/л,! V, Дг Г]

где - полезная мощность генератора, Вт; Д 77 Д г - скорость нагрева, °С/с; г] - КПД генератора.

р Вт/Мк Р = с.р.^±_Вт,мг ,Т=Т.р-С = 7--(0,0002Г'-0,0064Г + 0,9925).(4,582-Г—),с(2)

У, * А' Ч Р„-Ч Р»->1

5. Напряженность электрического поля СВЧ диапазона

В/м г- 2ТСР' 2Г-(о,СЮ2Т2-0,00647'+0,992^■ (4,5 82

'"Н5

55б Г-г, £ЧфЯ436

где /',,) - удельная мощность генератора, Вт/м3.

(3)

6. Собственная добротность резонаторной камеры [Г.И. Атабеков] Для цилиндрического и сферического резонаторов:

ДН01, ' " I ПЕтР =—■— О"" =— =—= — (4)

Д 2-Д 1 + а' Д-5 А-б-я-а2 6-Д'

где - критическая длина волны, см; а, / — диаметр и длина объемного резонатора, см; Д — толщина поверхностного слоя, зависящая от удельной проводимости материала резонатора, при выполнении из алюминия на частоте 2450 МГц она равна 1,73'10'$м.

7. Объем резонаторной камеры у =_'л/3или у = 92—1. м3, [Ю.Н. Пчельников] (5)

Ъ1-е0'£-Е-/' 2 '

где (¿о — собственная добротность резонаторной камеры; Рмя - мощность источника СВЧ излучения, Вт; площадь внутренней поверхности стенок резонатора, м2.

8. Мощность диэлектрического нагрева микроорганизмов при разных напряженностях электрического поляР —Ум (E2^eo^e^co•tgS)/4^7г, Вт, [А.С. Гинзбург] (6) где Е - напряженность электрического поля в сырье, В/м;

со = 2 тг/, 1/с; V* - объем микроорганизма, м3; диэлектрические параметры воды при частоте 2450 МГц и при изменении температуры от 15 до 45°С: £-74,75, = 0,153.

9. Мощность тепловых потерь с поверхности микроорганизма [Ю.В. Корчагин]

Ятет = А' Т, Вт, (7)

где X - коэффициент -теплопроводности (для воздуха А = 0,023 Вт/м-°К); X - площадь поверхности микроорганизма, м ; %га(1 Т - градиент температуры (разница температур между микроорганизмом и окружающим воздухом, отнесенный к радиусу микроорганизма), 5°К.

ганизмов Е

10. Критическая напряженность электрического поля для затормаживания развития микроор-

2(Х-з-егааТ) -В/М, (8)

11. Собственная добротность тороидального волновода (кольцевого волновода) [Г. И. Атабеков]

21 -1п7 (9)

" А 4Ь>£+/.Г1 + ±У <I и о)

где А (1 - наружный и внутренний диаметры волновода, м; / - длина кольцевого волновода, м.

12. Обоснование запредельных волноводов

^запрей. - 10...15 ' I =-1Ь = где I - погонное затухание волны, дБ/см; Я I - радиус и длина запредельного трубчатого волновода, см.

Я , 16 16-/ , Р(Вт)

^запред. - 10...15' Л =,дБ/с.« ¿ = / =-Ц—'-,СЛ1. (10)

Р^Вт/аи'уЦдБ/аиУ

13. Интенсивность ультразвуковых колебаний [Д. А. Гершгал]

Р-С г-Б р.с

где Р- давление в точке нахождения сырья. Па; с - скорость распространения звука в воде 1,45-103 м/с; р С -волновое сопротивление среды (для воды 1,45 '105 г/см-с; с - теплоемкость воды (4,19 кДж/кг' °С); т-масса воды, кг; ДТ - перепад температуры, °С; 5 - излучающая поверхность, м2; / - продолжительность воздействия УЗ колебаний, с; / - частота (44 кГц); и - напряжение возбуждения (0,5 кВ).

Рисунок 2 - Методика согласования конструктивных параметров с режимами работы установки для обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных

Методика согласования конструктивных параметров с режимами работы СВЧ установки представлена на рис. 2. Из анализа годового объема (пункт 1, рис. 2) обрабатываемого сырья определяем необходимую производительность установки, удовлетворяющей мясокомбинату средней мощности. Далее на основе анализа диэлектрических и физико-механических характеристик кишечного сырья (п.

2) на выбранной частоте электромагнитного поля вычисляем глубину его про-

никновения (п. 3) в кишечное сырье с тем, чтобы определить массу загружаемого

сырья в резонаторную камеру. Это позволит оценить удельную мощность СВЧ

генератора через плотность и теплоемкость кишечного сырья при определенной

скорости его нагрева и согласовать с полезной мощностью СВЧ генератора,

варьируя массой загрузки с одной стороны и скоростью нагрева с другой стороны

(п. 4). Затем вычисляем напряженность электрического поля, соответствующей этой удельной мощности (п. 5). Определяем собственную добротность сферического резонатора по предложенной нами формуле (п. 6) и согласовываем с его объемом (п. 7). Для оценки степени обеззараживания кишечного сырья (затормаживания развития микроорганизмов) определяем критическую напряженность электрического поля (п. 10), при которой происходит выравнивание мощности диэлектрического нагрева микроорганизмов (п. 8) и мощности тепловых потерь (п.

9) с поверхности микроорганизма. Далее определяем собственную добротность кольцевого волновода - экранирующего корпуса (п. 11) и проводим обоснование параметров запредельных волноводов (п. 12), обеспечивающих ограничение из-

9

лучения через загрузочные патрубки. Интенсивность УЗ колебаний обоснована через волновое сопротивление, теплоемкость, массу воды и перепад температуры, с учетом площади излучающей поверхности, продолжительности воздействия и частоты УЗ колебаний (п. 13).

Схема технологического процесса воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты и ультразвуковых колебаний на кишечное сырье

Рисунок 3 - Схема технологического процесса воздействия ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний на сырье: 1 - СВЧ генератор с магнетроном и излучателем; 2 - экранирующий тороидальный корпус; 3, 4 - сферический резонатор, состоящий из верхней (3) и нижней перфорированной (4) частей; 5 - патрубок для подачи омывающей жидко- • сти; 6 - диэлектрический ободок для направления нижних частей объемных резонаторов; 7 - опорные ролики; 8 - шарнирное соединение; 9 - ведущая звездочка на валу электродвигателя; 10 - зубчатый венец; 11 - пьезоэлектрические элементы ультразвукового генератора; 12 - патрубок для слива отработанной жидкости; 13 - дверца для выгрузки обработанного сырья; 14 - сырье (черевы, пищеводы и пузыри); 15 -

Рисунок 4 - Схематическое и пространственное изображение установки с УЗ и 1 СВЧ генераторами для обработки кишечного сырья (а, б): 1 - СВЧ генератор с магнетроном; 2 - тороидальный волновод; 3 - стационарная полусфера объемного резонатора; 4 - передвижная перфорированная полусфера резонатора; 5 - патрубок для подачи жидкости; 6 - направляющий ободок; 7 - опорные ролики; 8 - шарнирное соединение; 9,10 - ведущая звездочка с зубчатым венцом; 11 - пьезоэлектрические элементы УЗ генератора; 12 - патрубок для слива отработанной жидкости; 13 -циркуляционный насос с фильтром; 14 - кишечное сырье; 15 - дверца для выгрузки и загрузки исходного сырья; 16 - омывающая жидкость; (в) - расположение полусфер на венце; (г) - контрольно-измерительные приборы (преобразователь частоты, ваттметр, тахогенератор, тепловизор)

Схема технологического процесса воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты и ультразвуковых колебаний на кишечное сырье приведена на рис. 3. 4.

Установка работает в периодическом режиме, транспортирование дозированного сырья осуществляется в перфорированных полусферических передвижных частях 4 объемных резонаторах, помещенных в тороидальный экранирующий корпус 2. В процессе передвижения нижних частей резонаторов 4 их загружают сырьем 14 через загрузочный патрубок. Одновременно заливают жидкость 15 через патрубок 5 так, чтобы объем моющей жидкости в области пьезоэлектрических элементов 11 достаточно их омывал. После заполнения всех перфорированных частей 4 резонатора с сырьем закрывают загрузочный патрубок, включают СВЧ генераторы 1 и УЗ генераторы 11. Когда нижняя часть объемного резонатора 4 стыкуется с верхней частью 3, сырье подвергается воздействию ЭМПСВЧ. Когда резонатор погружается в жидкость, сырье подвергается воздействию УЗ колебаний. Такое чередование происходит многократно, в зависимости от вида сырья и степени его загрязненности. Тороидальный экранирующий корпус совмещает функции кольцевого волновода, обеспечивающего поле бегущих волн, распространенных через зазор между полусферами, где находится источник, возбуждающий волну, а также является резервуаром ультразвукового генератора. По величине критической напряженности электрического поля (равенства между поглощаемой и отдаваемой за счет теплопередачи энергии для микроорганизма) можно оценить степень обеззараживания кишечного сырья. С этой целью проведен сравнительный анализ значений потери мощности за счет теплопередачи и мощности диэлектрического нагрева микроорганизмов при воздействии ЭМИ. Результаты подсчета мощности диэлектрических потерь при разных на-пряженностях электрического поля и размерах колонии микроорганизмов приведены в виде диаграммы (рис. 5). С учетом объема микроорганизма определяем мощность диэлектрических потерь 5,84Т0~бВт (1 ряд, А). Это означает, что каждый микроорганизм радиусом 5 ■ 10"6 м при напряженности электрического поля 3 кВ/см поглощает мощность 5,84Т0"6 Вт и нагревается на 5°С. Мощность тепловых потерь с поверхности микроорганизма с таким же радиусом (5Т0"6м) составляет 7,22 • 10"6 Вт (ряд 2, Б).

Е =2

г =Г

1

я»

■

Гб

' 7Д2Е-06 |

*РЯД1

м Ряд 2 ■к Ряд 3

1° |Я|Ь ° «Ряд О

•5 1.00С-04

Ш Ряд 5 : Ряд б

•"£-06 омц_ К0Е/СМ3

6.48Е-07

Рисунок 5 - Сравнительный анализ мощности диэлектрического нагрева (А) микроорганизмов и их колоний при разных напряженностях электрического поля и мощности тепловых потерь (Б) при превышении температуры кишечного сырья

на 5°С: 1 и 2 ряды при напряженности 3 кВ/см (радиус бактерии 5-Ю"6 м); 3 и 4 ряды - 1 кВ/см (радиус бактерии 5'Ю"6 м); 5 и 6 ряды- 3 кВ/см (радиус колонии микроорганизмов ЗОЮ"6 м1

Следовательно, при напряженности электрического поля выше 3 кВ/см происходит затормаживание развития бактериальной микрофлоры. Если напря-

11

40 35

£ 20

£

Ч!

н 15 10 5

женность электрического поля всего 1 кВ/см (3 и 4 ряды), то поглощаемая мощность (6,48'10"7 Вт) меньше, чем мощность тепловых потерь с поверхности микроорганизмов, поэтому снижение бактериальной микрофлоры кишечного сырья не происходит. Если рассмотреть размер колоний микроорганизмов (50'10"6 м), то потери энергии за счет теплопередачи (5,84-10"3 Вт, ряд 5) значительно превышают поглощаемую энергию ЭМПСВЧ (7,22-10"5 Вт, ряд 6). Но уничтожение микроорганизмов, таких как бактерии, споры или вирусы, за счет непосредственного поглощения ими энергии ЭМПСВЧ происходит не в полной мере. Поэтому необходимо предусмотреть дополнительный фактор воздействия на колонии микроорганизмов. Нами предлагается разрушить колонии микроорганизмов воздействием УЗ колебаний. Если размер колоний составляет 5(И0"6 м и более, то за счет УЗ кавитации необходимо разрушить структуру колоний до отдельных микроорганизмов, с тем, чтобы при воздействии ЭМПСВЧ напряженностью более 3 кВ/см затормаживать их развитие.

Теоретические исследования динамики нагрева кишечного сырья убойных животных (формула 2, рис. 6) показывают, что приращение температуры в продукте 40°С при удельных мощностях СВЧ генератора 6 Вт/г, 4 Вт/г, 2,67 Вт/г достигается в течение 45 с, 60 с, 88 с, соответственно.

45 -Г-1 ; 1 . I ГТ-ГТ ................................ .ТП

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Продолжительность, с

Рисунок 6 — Динамика нагрева кишечного сырья убойных животных при воздействии ЭМПСВЧ разных удельных мощностей:

1)2,67 Вт/г;

2) 4 Вт/г;

3) 6 Вт/г

В третьем разделе «Методика и средства экспериментальных исследований» приведены программа экспериментальных исследований, частные методики исследований и характеристики использованной измерительной техники; опера-ционно-технологическая схема и описание разработанной и изготовленной установки для обработки кишечного сырья убойных животных. Источниками СВЧ энергии служили генераторы Яо^еп МБ 1770 МБ, М\¥ - М1700, работающие на частоте 2450 МГц, потребляемой мощностью 1200 Вт. Источником ультразвуковых колебаний служили два генератора типа ВУ-09-«Я-ФП» моделей 03 и 05, мощностью 250 ВА и 480 ВА соответственно, с частотой преобразователя 44 кГц. Перекачивание и регулирование скорости потока воды через тороидальный волновод выполнялось циркуляционным насосом марки НЦ 25/А, а учет расхода жидкости - счетчиком СГВ-15 «Бетар». Исследование мощности потока электро-

12

магнитных излучений установки для обработки кишечного сырья осуществляли измерителем ПЗ-ЗЗ М. Учет массы сырья осуществляли с помощью электронных весов EN-405. Контроль мощности привода зубчатого венца осуществляли с помощью цифрового измерителя мощности D2436AB и УМТК - V3.1.1, а частоту вращения - с помощью фототахометра Digital Tachometer ДТ - 2234А. Для привода зубчатого венца использовали мотор-редуктор МЭО-6,3/12,5-0,25М-99. Измерение температуры в сырье осуществляли с помощью цифрового контролера E5CN, а исследование распределения теплового потока по поверхности сырья -тепловизором FLIR ¡3.

Операционно-технологическая схема обработки кишечного сырья убойных животных с использованием предлагаемой установки приведена на рис. 7. Она предусматривает многократное циклическое воздействие ЭМПСВЧ и УЗ колебаний через паузу. При этом обеззараживание и обезжиривание кишечного сырья воздействием ЭМПСВЧ происходит в сферических резонаторах, выполненных из стационарных и передвижных перфорированных полусфер. Частичное расщепление шлямов сырья и колоний микроорганизмов осуществляется воздействием УЗ колебаний. Выгрузка обработанного сырья осуществляется в процессе опрокидывания передвижных полусфер.

Рисунок 7 - Операционно-технологическая схема обработки кишечного сырья убойных животных с применением разработанной установки В четвертом разделе «Результаты исследования технологического процесса обработки кишечного сырья убойных животных» приведены: результаты исследования динамики эндогенного нагрева кишечного сырья (рис. 11,12); оценка натуральной оболочки по органолептическим, физико-химическим, микробиологическим показателям; матрица планирования трехфакторного эксперимента для оптимизации энергетических затрат на обработку кишечного сырья и режимов работы установки; технические характеристики разработанной установки.

Исследования температурных полей, проведенные с помощью тепловизора 1ЫК ¡3, показывают, что четырехкратное комбинированное воздействие УЗ колебаний и ЭМПСВЧ на кишечное сырье в передвижных резонаторных камерах

13

(40 с) позволяет снизить неравномерность нагрева до 4...7°С, по сравнению с воздействием в стационарном режиме, где отклонение температуры достигает 13...16°С(рис. 8).

Стационарный

Режим воздействия ЭМПСВЧ

Слои сырья

нижний

Рисунок 8 — Картина распределения теплового потока по объему кишечного сырья при воздействии ЭМПСВЧ удельной мощностью 2,67 Вт/г в течение 40 с

Пользуясь методикой активного планирования трехфакторного эксперимента и программой «Statistic V5.0» построены поверхности отклика и их двумерные сечения в изолиниях моделей (рис. 9). Они являются критериями оценки процесса обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных.

Мошюсгъ СВЧ генератора. Вт Мощность СВЧ генератора, Вт

Рисунок 9 - Двумерные сечения в изолиниях и поверхность отклика трехфактор-ной моделей (а) производительности установки (кг/ч) и (б) энергетических затрат (Вт-ч/кг) для обработки кишечного сырья убойных животных при загрузке 300 г

Полученные уравнения регрессии (12) проверены на адекватность по критерии Фишера. Рациональными режимами процесса обработки кишечного сырья являются: удельная мощность СВЧ генератора 2,67 Вт/г; мощность УЗ генератора 0,73 кВт; масса загрузки сырья в резонаторную камеру 250...300 г. Эмпирические выражения, описывающие зависимости приращения температуры сырья Уь продолжительности обработки У2, производительности установки У3, количество

30 Contour РЫ (№W STA 4V11с) i=22,36452+0,037C88,^0.13271?y-O.CTOM6Vr+O.OttX)e5"y'y+0,000029Vy

30 Contour РЫ (ftW STA V11с) г^,252174Я),ОК005-1[Н).С6Э617>+0,аХШ2Г*'*^.ОСОаШГу>^,ОООСШЮШ)

1 10.934 18.519

Г! 26,103

□ I 41^272

п 48.857

ЕШ 56.441

шш 64.026

ш 71.611

в 79.195

above

циклов У4 и энергетических затрат на обработку У5 от воздействующих факторов при основном уровне фактора х3 = 300 г, приведены ниже:

1)У, = 4,782 + 0,007039-х, - 0,017875'х2 - 0,000001 -х,2 + 0,00001 -х22. + 0,000005-х,-х2

2)У2 = 22,364 + 0,037088-х, - 0,132717'х2- 0,000006'х,2 + 0,000085- х22 + 0,000029-х,-х2

3)У3 = 1649,076 -1,43121-х, + 0,436522'х2+ 0,000274'х,2 - 0,000957' х22+ 0,000325-х,-х2' 4 У4 = 35,409 - 0,03188 -х, - 0,003115-х2 + 0,000006 -х,2 - 0,000014 • х22+ 0,000011-хгх2>' 5)У, = 0,252 + 0,059005-х, + 0,063617'х2 + 0,00000027'х,2 - 0,00000362'х22, (12) где х, - мощность СВЧ генератора в кодированных единицах; х2 - мощность УЗ генератора; х3- масса загрузки в один объемный резонатор (табл. 1).

Таблица 1 - Уровни варьируемых факторов

Факторы Кодовое значение Интервал варьирования Уровни факторов

Основной уровень Верхний уровень Нижний уровень

Мощность СВЧ генератора, Вт х, 800 1600 2400 800

Мощность УЗ генератора, Вт Х2 250 500 750 250

Масса загрузки, г хз 200 300 500 100

В ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Чувашской Республике» проведена оценка пищевой ценности кишечного сырья опытного и контрольного образцов на основе органолептических, физико-химических и микробиологических показателей (протокол испытаний № 702 от 24.04.2014 г.). Испытано 4 образца в 4-х кратной повторности: первый образец - контрольный вариант (обработка сырья традиционным способом), второй - обработка сырья до 30°С комбинированным воздействием УЗ колебаний и ЭМПСВЧ; третий - обработка сырья до 45°С комбинированным воздействием УЗ колебаний и ЭМПСВЧ, четвертый - обработка сырья до 45°С воздействием УЗ колебаний (рис. 10).

Рисунок 10 - Структура сырья: а) исходный образец; б) после воздействия УЗ колебаний; в) после воздействия УЗ колебаний и ЭМПСВЧ

Схематическое изображение динамики нагрева кишечного сырья в процессе комбинированного воздействия УЗ колебаний и ЭМПСЧ в разработанной установке и графики снижения общего микробного числа в сырье представлено на рис. 11. В результате исследований выявлено, что общая продолжительность обработки 3 кг кишечного сырья за четыре цикла составляет 240 с, производительность 45 кг/ч, удельные энергетические затраты равны (0,066) кВт-ч/кг, обезжиривание и обеззараживание сырья происходит до значений, требуемых по ГОСТ 16402-70 и ТУ 10.02.01.148-91 «Кишки свиные обработанные».

Исследование микробиологических параметров кишечного сырья с исходной бактериальной обсемененностью 10-Ю6 КОЕ/см3 и 5-Ю6 КОЕ/см3 показало, что при комбинированном воздействии УЗ колебаний и ЭМПСВЧ в течении 240 с (четыре цикла), приращение температуры сырья составило 37...38°С, а общее микробное число в продукте снизилось до (30000.. .100000) КОЕ/см3 (рис. 11).

10000000

¿000000 $

й о к

100000

10000 • о

24 и 230 220 210 200 и 190 а 180 Й ПО

I 160

« 150

о 140

° 130

ё 120

о 110

3 100

г 90

Ь 80

к "о § 60 3 50 а. 40 с 30 20 10 0

5 10 15 20

30 35 40 45

[ 100000

50 55

40 48

46 Л

4 ЦИКЛ .4

У

180 41

]_ 3 цикл

V = 0.0701 X

1 0 '2

7 ~

2 цикл

60

гг/

1 цикл у. 1

■к

-----гт —........... _ ...-—............;......

10 15 20

30 35 40 45 50

Температура, "С

Рисунок 11 - Динамика нагрева кишечного сырья и графики снижения общего микробного числа в нем в процессе четырехкратного комбинированного воздействия УЗ колебаний и ЭМПСВЧ Эмпирическая зависимость динамики нагрева кишечного сырья в процессе обработки описывается уравнением г = 0,0701 • 7* + 2Д2Т- 28,53, (13)

где г - продолжительность обработки, с; Г - температура сырья, °С.

Экспериментальные графики (рис. 12) позволяют определить технологические параметры для обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных, а именно: продолжительность процесса комплексного воздействия ЭМПСВЧ и УЗ колебаний, температуру сырья и воды в резервуаре, а также продолжительность цикла. При загрузке 3 кг сырья с содержанием 0,3 кг жировой ткани в объемные резонаторы (10 шт.) в процессе воздействия ЭМПСВЧ и УЗ колебаний в течении 4 мин. происходит полное обезжиривание. При этом кишечное сырье нагревается до 37°С, а температура воды в резервуаре поддержи-

вается на уровне 48°С, продолжительность воздействия ЭМПСВЧ в течение каждого цикла составляет 10 с.

г.°с so

40 35 ЗО 25 20 15 Ю 5

2

3

Рисунок 12 - Экспериментальные графики для определения технологических параметров для обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных: 1 - динамика нагрева кишечного сырья комплексным воздействием ЭМПСВЧ (РУд = 2,67 Вт/г) и УЗ колебаний при температуре воды в резервуаре 48° С; 2 - динамика нагрева кишечного сырья в ЭМПСВЧ (2,67 Вт/г); 3 - изменение массы измельченной жировой ткани в процессе воздействия ЭМПСВЧ; 4 - изменение массы измельченной жировой ткани при комбинированном воздействии ЭМПСВЧ и УЗ колебаний; 5 - температура воды (Т = 48°С) в резервуаре УЗ генератора поддерживается за счет трубчатого электронагревателя

1 - внешний вид и цвет на сырья

2 - структура на разрезе

3 - консистенция

4 - запах

5 - прозрачность и аромат бульона

—Опытный обртец НБ~Контуольнын о>3|шец

Рисунок 13 - Органолептическая оценка качества кишечного сырья обработанного традиционным и проектным способами по бальной системе

Из сравнительной диаграммы орга-нолептической оценки качества кишечного сырья опытного и контрольного образцов вытекает, что органолептиче-ские показатели опытного образца лучше контрольного на 14 баллов.

Контроль мощности потока излучений от установки для обработки кишечного сырья убойных животных с применением УЗ и СВЧ генераторов проводили в испытательной лаборатории ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашии» (протокол № Ф-043-Д-2013 от 28.05.2014 г.). Мощность потока СВЧ энергии на расстоянии 1,5...3,0 м от установки составляет 150...80 мкВт/см2. Это означает, что в месте нахождения обслуживающего персонала мощность потока СВЧ энергии не превышает допустимую норму 1000 мкВт/см2. Исполнение опытного образца установки для обработки кишечного

4СЮ 3SO зоо

гао 1SO 100 so

сырья убойных животных с применением УЗ и СВЧ генераторов представлено рис. 14. ________

Рисунок 14 — Установка для обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных: а) общий вид; б) расположение перфорированных полусфер (1) на венце (2) и трубчатые электронагреватели (3) омывающей жидкости

Технические характеристики установки: Производительность-45...60 кг/ч.

Резонансная частота ультразвукового преобразователя - 44 кГц.

Мощность ультразвуковых генераторов - 0,73 кВт.

Мощность СВЧ генераторов - 2,4 кВт.

Мощность электропривода - 0,6 кВт.

Общая мощность установки - 3,73 кВт.

Удельные энергетические затраты - 0,066 кВт-ч/кг.

Высота- 1,2 м, диаметр - 1,0 м.

В пятом разделе «Оценка эффективности применения установки для обработки кишечного сырья убойных животных» представлено экономическое обоснование результатов исследований. Годовой экономический эффект от применения установки для обработки кишечного сырья убойных животных составляет 353000 руб. при объеме выпускаемой продукции свыше 84 тонн. Экономический эффект определяется за счет снижения эксплуатационных затрат на 29414 руб./месяц. В результате рентабельность повысится на 8,9 %, срок окупаемости составит 3 месяца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложена операционно-технологическая схема обработки кишечного сырья с использованием электромагнитного поля сверхвысокой частоты и ультразвуковых колебаний.

2. Получены математические выражения, позволяющие оценить параметры основных узлов установки, и предложена методика согласования конструктивно-технологических параметров с режимами работы установки для обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных четырехкратным комбинированным воздействием УЗ колебаний и ЭМПСВЧ. Согласована нагруженная добротность (60...100) с объемом сферической резонаторной камеры (3,2 л) и напряженностью электрического поля (3 кВ/см) в сырье, обеспечивающей снижение бактериальной обсемененности на два порядка.

3. Предложена конструкция установки для обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных с использованием УЗ и СВЧ генераторов со сферическими резонаторами, выполненными из двух полусфер, помещенных в

18

тороидальный экранирующий корпус, совмещающий функцию кольцевого волновода для обеспечения поля бегущих волн, распространяющихся через зазор между полусферами. Транспортирование дозированного сырья осуществляется в передвижных перфорированных полусферах, а излучатели расположены в стационарных полусферах.

Установлено, что эффективными режимами обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных являются удельная мощность СВЧ генератора 2,67 Вт/г, мощность УЗ генераторов - 0,73 кВт, общая продолжительность процесса обработки - 240 с.

Выявлено, что зубчатый венец диаметром 68 см, транспортирующий десять сферических резонаторных камер, внутренним диаметром 18,36 см, со скоростью

0.019.м/с обеспечивает производительность установки 45...60 кг/ч. Экранирующий корпус установки (тороидальный волновод) снижает мощность потока электромагнитных излучений на расстоянии 1,5 м до 150 мкВт/см2, что в 6...7 раз меньше предельно допустимого уровня.

4. В результате апробирования установки в производственных условиях выявлено: улучшение качества натуральной оболочки на 14 баллов; снижение бактериальной обсемененности сырья с ЮТ0б КОЕ/см3 до 100 000 КОЕ/см3; увеличение срока хранения обработанного кишечного сырья на 4...5 суток при температуре 3...5°С. Экономический эффект от применения установки для обработки кишечного сырья убойных животных составит 353 тыс. руб./год за счет снижения себестоимости расходов на обезжиривание и обеззараживание кишечного сырья с 6,23 руб./кг до 3,65 руб./кг.

Перспективы дальнейшей разработки темы. Разработать более мощную установку с использованием УЗ и СВЧ генераторов для поточной автоматизированной технологической линии, позволяющей обезжиривать и обеззараживать кишечное сырье.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

- публикации в изданиях, определенных ВАК РФ:

1. Зуева, H.A. Оценка эффективности применения установки для сверхвысокочастотной и ультразвуковой обработки кишок убойных животных / Теоретический и научно-практический журнал «Естественные и технические науки». - М.: Спутник, 2014. - № 1 (69) -С. 132...135.

2. Зуева, H.A. Установка для сверхвысокочастотной и ультразвуковой обработки кишок убойных животных / H.A. Зуева, М.В. Белова // Теоретический и научно-практический журнал «Известия Оренбургского государственного аграрного университета», 1(46), 2014. - С. 85...88.

3. Зуева, H.A. Схема технологического процесса обработки кишечного сырья воздействием ЭМПСВЧ и УЗ колебаний с результатами динамики нагрева / H.A. Зуева, М.В. Белова, Г.В. Новикова // Теоретический и научно-практический журнал «Известия Оренбургского государственного аграрного университета», 1(47), 2014. - С. 67. ..70.

- публикации в сборниках научных трудов и материалов конференции:

4. Зуева, H.A. Актуальность подготовки натуральных оболочек колбасных изделий / H.A. Зуева // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии, производства и переработки продукции сельского хозяйства». - Йошкар-Ола: ФГОУ ВПО «Марийский ГУ», 2011. Выпуск 10. - С. 356...357.

5. Зуева, H.A. Физико-механические параметры натуральных оболочек колбасных изделий /

H.A. Зуева, M.B. Белова // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности механизации сельскохозяйственного производства». - Чебоксары: ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2011.-С. 102...105.

6. Зуева, H.A. Технология подготовки натуральных оболочек колбасных изделий / H.A. Зуева, Е.Л. Белов // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука -основа успешного развития АПК». - Чебоксары: ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2012. - С. 436. ..438.

7. Зуева, H.A. Подготовка натуральных оболочек для колбасных изделий / H.A. Зуева, Г.В. Новикова // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии и технического обеспечения сельскохозяйственного производства». - Казань: ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», 2012. - С. 89.. .90.

8. Зуева, H.A. Операционно-технологическая схема подготовки натуральных оболочек колбасных изделий / H.A. Зуева, Г.В. Новикова // Материалы VIII всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодежь и инновации». - Чебоксары: ООО «Горизонт», 2012. - С. 222.. .224.

9. Зуева, H.A. Обоснование технологической линии подготовки натуральных оболочек для колбасных изделий / H.A. Зуева // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». - Йошкар-Ола: ФГБОУ ВПО «Марийский ГАУ», 2013. - Выпуск XV. -С. 140...141.

10. Зуева, H.A. Ультразвуковая обработка кишок сельскохозяйственных животных / H.A. Зуева // Материалы первой международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Достижения современной науки в области энергосбережения». - Чебоксары: ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2013. - С. 116... 117.

11. Зуева, H.A. Установка для удаления слизистой оболочки кишечного сырья колбасных изделий / H.A. Зуева // Материалы IX всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодежь и инновации». - Чебоксары: ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2013.-С. 209...211.

12. Зуева, H.A. Ультразвуковая установка для подготовки натуральных оболочек для колбасных изделий / H.A. Зуева // Материалы международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Инновационные технологии повышения эффективности производства и хранения сельскохозяйственной продукции». - Харьков: ФГБОУ ВПО «ХНАУ им. В.В Докучаева», 2013. - С. 74...75.

13. Зуева, H.A. Технологическая процесс обработки кишечного сырья воздействием ЭМПСВЧ и УЗ колебанием / H.A. Зуева, Г.В. Новикова, М.В. Белова // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». - Йошкар-Ола: ФГБОУ ВПО «Марийский ГАУ», 2014. -Выпуск XV. - С. 129.. .130.

14. Зуева, H.A. Анализ электрофизических параметров субпродуктов из убойных животных / H.A. Зуева, И.Г. Ершова, М.Г. Сорокина // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». - Йошкар-Ола: ФГБОУ ВПО «Марийский ГАУ», 2014. - Выпуск XV.-С. 133... 136.

15. Зуева, H.A. Установка для обработки кишок убойных животных/ H.A. Зуева, Г.В. Новикова, М.В. Белова // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». - Йошкар-Ола: ФГБОУ ВПО «Марийский ГАУ», 2014. - Выпуск XV. - С. 132.. .133.

16. Зуева, H.A. Установка для обработки кишечного сырья убойных животных с применением УЗ и СВЧ генератов/ H.A. Зуева, Г.В. Новикова, М.В. Белова // - Чебоксары, 2014. -152 с. ISBN 978-5-7677-1651-8.

Подписан в печать 28.07.2014 г. Формат 60x84/16. Псч. л. 1,0. Тираж 100 экз. Полиграфический отдел, ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, 29. Лицензия ПЛД № 27-36.

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

На правах рукописи

04201460526

ЗУЕВА Наталия Алексеевна

УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ КИШЕЧНОГО СЫРЬЯ УБОЙНЫХ ЖИВОТНЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЗ И СВЧ ГЕНЕРАТОРОВ

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-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ 12 СРЕДСТВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КИШЕЧНОГО СЫРЬЯ УБОЙНЫХ ЖИВОТНЫХ

1.1. Ресурсы и требования, предъявляемые к кишечному сырью 12

1.2. Электрофизические параметры обрабатываемого сырья 16

1.3. Анализ существующих способов и технических средств для 22 обработки кишечного сырья убойных животных

1.4. Выводы по разделу, цель и задачи исследования 28

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ 32 ДЛЯ ОБРАБОТКИ КИШЕЧНОГО СЫРЬЯ УБОЙНЫХ ЖИВОТНЫХ

2.1. Структура моделирования технологического процесса воздей- 32 ствия физических факторов на кишечное сырье

2.2. Обоснование электродинамической системы СВЧ генератора с 37 передвижными перфорированными сферическими резонаторами

2.3. Описание процесса воздействия ультразвуковых колебаний на 54 кишечное сырье

2.4. Методика согласования параметров установки для обработки 63 кишечного сырья убойных животных

2.5. Выводы по разделу 70

3. МЕТОДИКА И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДО- 73 ВАНИЙ

3.1. Программа экспериментальных исследований 73

3.2. Частные методики исследований и измерительная аппаратура 74

3.3. Операционно-технологическая схема обработки кишечного 76 сырья убойных животных

3.4. Разработанные установки для обработки кишечного сырья 80 убойных животных

3.5. Выводы по разделу 91

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРО- 93 ЦЕССА ОБРАБОТКИ КИШЕЧНОГО СЫРЬЯ УБОЙНЫХ ЖИВОТНЫХ

4.1. Расчет конструктивно-технологических параметров установки 93 для обработки кишечного сырья убойных животных

4.2. Результаты экспериментальных исследований динамики нагре- 95 ва кишечного сырья при воздействии ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний

4.3. Результаты исследования органолептических, физико-химичес- 102 ких и микробиологических показателей обработанного кишечного сырья

4.4. Определение эффективных технологических параметров уста- 107 новки для обработки кишечного сырья убойных животных

4.5. Исследования мощности потока излучений СВЧ установки 118 для обработки кишечного сырья

4.6. Результаты исследований и выводы по разделу 123 5. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТАНОВКИ ДЛЯ 125 ОБРАБОТКИ КИШЕЧНОГО СЫРЬЯ УБОЙНЫХ ЖИВОТНЫХ

5.1. Технико-экономические показатели применения установки для 125 обработки кишечного сырья убойных животных

5.2. Рекомендации производству по обработке кишечного сырья с 133 использованием физических факторов

5.3. Особенности эксплуатации установки с УЗ и СВЧ генератора- 135 ми для обработки кишечного сырья убойных животных

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВЫВОДЫ 138

ЛИТЕРАТУРА 140

ПРИЛОЖЕНИЯ 150

Приложение А. Акты об использовании научно-исследовательской работы в учебном процессе 150

Приложение Б. Акты апробирования научно-исследовательской работы в производственных условиях 156

Приложение В. Акт о результатах микробиологических исследова- 160 ний

Приложение Г. Протокол измерений потока мощности электромаг- 161 нитных излучений СВЧ диапазона

Приложение Д. Документы, подтверждающие научную новизну 164 Приложение Е. Матрицы планирования экспериментов и расчетные 168 коэффициенты для построения поверхностей отклика и двумерных сечений моделей

Приложение Ж. Материалы промежуточных расчетов 173

Приложение 3. Узлы установки для обработки кишечного сырья 175 убойных животных с применением УЗ и СВЧ генераторов Приложение И. Дипломы и почетные грамоты 179

Введение

Актуальность. Главной задачей, стоящей перед сельскохозяйственной отраслью является удовлетворение спроса населения продуктами питания. Решить данную задачу возможно путем увеличения количества вырабатываемой продукции и сокращения потерь сырья на стадиях переработки, а также путем совершенствования процессов переработки самого сырья, предусматривающего увеличение выхода готовой продукции, повышение биологической ценности продуктов, сокращение длительности технологических процессов. Все это в полной мере относится и к самой трудоемкой работе по подготовке кишечного сырья убойных животных для использования в качестве натуральной оболочки при производстве колбасных изделий.

По статистическим данным средний объем кишок - сырца по РФ составляет 278 588 т/год, а по ЧР - 549 т/год. Каждый мясокомбинат средней мощности обрабатывает кишок 1,5... 1,8 т/сутки [1,12,112]. В связи с этим, поиск технологии, обеспечивающей качественную обработку кишечного сырья убойных животных и использование его в виде натуральной оболочки колбасных изделий, актуален.

Технологический процесс обработки их состоит из следующих основных операций: освобождение от содержимого, обезжиривание, удаление слизистой оболочки, охлаждение, консервирование, упаковка. На сельских убойных пунктах большим затруднением является удаление с поверхности кишечного сырья балластных оболочек (жира и слизистой оболочки). В этих условиях после операции отжатия с поверхности кишечного сырья удаляют жир и промывают, выворачивают и погружают на 4 ч. в чаны с 20%-ным раствором поваренной соли, содержащим 1 % щавелевой кислоты и 2 % хлористого кальция [57].

Известно, что для обработки кишечного сырья применяют разные механические устройства с рифлеными валковыми механизмами. Кишечное сырье при протягивании между отжимными вальцами подвергаются мятию с соскабливающим воздействием, ввиду чего оболочки разрыхляются и их можно удалить с основной пленки на шлямодробильной машине. При этом кишечное сы-

рье приходится сильно подтягивать и чрезмерно сдавливать, что нарушает их прочность, и они рвутся. Исключить эти недостатки в полной мере на базе традиционных методов обработки кишечного сырья чрезвычайно затруднительно, что является причиной необходимости поиска новых эффективных методов обработки [36]. В разработанной установке для обезжиривания кишечного сырья убойных животных предлагается использовать комбинированное воздействие ультразвуковых (УЗ) колебаний и электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ). При данном способе обеспечивается получение широкого ассортимента натуральных оболочек для колбасных изделий из кишечного сырья. Обезжиривание и обеззараживание кишечного сырья происходит за счёт совместного действия разных нелинейных эффектов, возникающих в жидкости под действием мощных УЗ колебаний и ЭМПСВЧ.

Для эффективной предстерилизационной очистки разных материалов, от биологических, механических и прочих загрязнений используют ультразвуковые ванны разной конструкции. Очистка происходит за счёт совместного воздействия разных эффектов на основе ультразвуковых колебаний. Эти эффекты: кавитация, акустические течения, звуковое давление. Кавитационные пузырьки, пульсируя и схлопываясь вблизи загрязнений, разрушают их. Этот эффект известен как кавитационная эрозия. Очистка происходит за счёт совместного действия разных нелинейных эффектов, возникающих в жидкости под действием мощных ультразвуковых колебаний.

Для ультразвуковой очистки сырья важен правильный подбор раствора с тем, чтобы он эффективно растворял или эмульгировал загрязняющие вещества, при этом, по возможности, не влияя на саму очищаемую поверхность, поскольку ультразвук значительно ускоряет физико-химические процессы в жидкостях, и агрессивное моющее вещество может быстро повредить поверхность.

Влияние ультразвука на сырье зависит как от параметров, характеризующих ультразвуковое поле, так и от его свойств. При воздействии ультразвуковых колебаний в сырье возникает электрический потенциал - вибропотенциал. Поэтому в момент инерционного восстановления жизнедеятельности микроор-

ганизмов рекомендуем в сочетании с ультразвуковой обработкой сырья проводить обеззараживание его электромагнитными полем сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ).

Для этого необходимо обосновать интенсивность ультразвуковых колебаний, позволяющих разрушить клеточную мембрану микроорганизмов. Известно, что при кавитационном воздействии в сырье разрушаются коллоиды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии. Таким образом, болезнетворные микроорганизмы уничтожаются при предварительном воздействии электромагнитных излучений. Ультразвуковое воздействие характеризуется переменными напряжениями сдвига в акустическом поле, расшатывающими структуру клеточной мембраны. Эффективность ультразвукового воздействия повышается с увеличением температуры обрабатываемого сырья за счет воздействия ЭМПСВЧ [146]. Поэтому диэлектрический нагрев кишечного сырья обеспечивает эффективное разрушение защитных оболочек микроорганизмов. В связи с чем, технология обработки кишечного сырья предусматривает последовательное многократное воздействие УЗ колебаний и ЭМПСВЧ.

Скорость распространения ультразвука в сырье существенно зависит от температуры. Поэтому предварительный диэлектрический нагрев сырья обеспечивает гарантированное разрушение защитных оболочек споровых микроорганизмов. В связи с этим в предлагаемой установке предусматривается последовательное многократное воздействие на сырье ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний. С помощью СВЧ энергии можно не только равномерно нагревать сырье по его объему, но и получать по желанию любое заданное распределение температур. Поэтому при СВЧ нагреве многократно ускоряется технологический процесс. Качество обработанного сырья существенно улучшается за счет того, что нагрев сырья идет избирательно. Для ослабления сил сцепления оболочек кишки замачивают в теплой воде.

Степень разработанности темы. Большой вклад в разработку способов обработки кишечного сырья убойных животных внесли работы известных ученых: В.И. Ивашова, А.И. Бредихина, А.И. Пелеева, В.М. Горбатова, И.А.

Рогова, М.Л. Файвишевского и др. Несмотря на наличие различных подходов к способам и средствам обработки кишечного сырья убойных животных в работах ученых недостаточное внимание уделено влиянию многих технологических факторов на качество оболочки колбасных изделий. Анализ исследований, выполненных многими авторами, позволяет выделить основные технологические операции, требующие дальнейшего совершенствования: операция обезжиривания (удаление жира с поверхности) и обеззараживания кишечного сырья.

Целью настоящей работы является обоснование и разработка параметров установки для обработки кишечного сырья убойных животных воздействием ультразвуковых колебаний и электромагнитного поля сверхвысокой частоты, обеспечивающих улучшение качества сырья.

Основные научные задачи:

1. Разработать операционно-технологическую схему обработки кишечного сырья убойных животных для подготовки натуральной оболочки колбасных изделий и схему конструктивного исполнения установки с использованием УЗ и СВЧ генераторов.

2. Разработать методику и вывести математические зависимости, позволяющие согласовать конструктивно-технологические параметры с режимами работы установки для обработки кишечного сырья убойных животных.

3. Изготовить и апробировать в производственных условиях опытный образец установки для обработки кишечного сырья убойных животных; выявить рациональные конструктивно-технологические параметры и режимы ее работы.

4. Провести сравнительную оценку качества кишечной оболочки на основе ор-ганолептических, физико-химических и микробиологических показателей; провести технико-экономическую оценку применения установки с УЗ и СВЧ генераторами для обработки кишечного сырья убойных животных.

Объектом исследования являются технологический процесс обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных и установка для его реализации.

Предметом исследования является выявление закономерностей процесса комбинированного воздействия физических факторов на кишечное сырье убойных животных.

Концепция. Руководствуясь теорией электромагнитных волн и ультразвуковых колебаний, решена научно-техническая задача — разработка установки, обеспечивающей эффективное обезжиривание и обеззараживание кишечного сырья убойных животных за счет комбинированного воздействия УЗ колебаний и ЭМПСВЧ.

Методика исследований. В теоретических исследованиях применены основы теории электромагнитного поля СВЧ диапазона и ультразвуковых колебаний. Экспериментальные исследования проводились по общепринятым методикам, с применением электронной цифровой регистрирующей аппаратуры. Основные расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с применением методов математической статистики и регрессионного анализа при использовании теории активного планирования многофакторного эксперимента. Структуру кишечного сырья и качество оболочки для колбасных изделий оценивали через органолептические, физико-химические и микробиологические показатели по методикам, рекомендованным соответствующим ТУ10.02.01.147-91 «Кишки свиные обработанные».

Научную новизну результатов исследования представляют:

- методика, позволяющая обосновать параметры рабочего органа и режимы работы установки, обеспечивающей обезжиривание и обеззараживание кишечного сырья убойных животных комбинированным воздействием электромагнитного поля сверхвысокой частоты и ультразвуковых колебаний;

- закономерности влияния режимов работы установки на снижение бактериальной загрязненности, динамику нагрева кишечного сырья с учетом изменения его диэлектрических и физико-механических параметров в процессе обработки;

- установка, имеющая новое конструктивное исполнение рабочего органа в виде передвижных сферических перфорированных резонаторов СВЧ генератора в тороидальном волноводе, служащем экранирующим корпусом и резервуаром

ультразвукового генератора (заявка на изобретение № 2014100559 «Установка для обработки кишок убойных животных» от 09.01.2014 г.);

- электротехнология обработки кишечного сырья убойных животных, рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров установки с применением СВЧ и УЗ генераторов, обеспечивающих улучшение качества оболочки колбасных изделий при сниженных эксплуатационных затратах.

Практическую значимость представляют:

- изготовленная и апробированная в производственных условиях установка для обработки кишечного сырья убойных животных, позволяющая улучшить качество оболочки колбасных изделий при сниженных эксплуатационных затратах;

- методика расчета эффективных режимов обезжиривания и обеззараживания кишечного сырья убойных животных воздействием УЗ колебаний и ЭМПСВЧ в передвижных сферических резонаторах, расположенных в резервуаре УЗ генератора; конструкторская документация установки для обработки кишечного сырья убойных животных.

Реализация результатов исследований. Исследования проведены в рамках тематического плана Министерства сельского хозяйства РФ, раздел «Нано-технологии». В соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО ЧГСХА исследования технологического процесса обработки кишечного сырья убойных животных осуществлялись в лаборатории «Электротехнологии». Апробирование технологии и разработанной установки осуществляли в процессе производства колбасных изделий в мясном цехе ОАО «Приволжское» Чебоксарского района 4P. Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ЧГСХА, ФГБОУ ВПО «Казанский ГАУ», ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», AHO ВПО «Региональный институт технологии и управления» (г. Новочебоксарск), ФГБОУ ВПО «Ижевская ГСХА», ФГБОУ ВПО «Мордовский ГУ имени Н.П. Огарева».

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены:

- на всероссийской научно-практической конференции (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2011 г.);

- на всероссийских научно-практических конференциях «Повышение эффективности механизации и сельскохозяйственного производства», «Молодежь и инновации», «Аграрная наука - основа успешного развития АПК», «Молодые ученые в решении актуальных проблем сельского хозяйства», «Достижения современной науки в области энергосбережения» (ФГБОУ ВПО ЧГСХА, 2011...2014 г.г.);

- на международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции с.-х.» (ФГБОУ ВПО «Марийский ГУ», 2011...2014 г.г.);

- на международной научно-прак