Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих способов и технических средств. для обеззараживания жидкости с использованием электрофизических факторов
1.1. Ресурсы и требования к качеству молока 9
1.2. Электрофизические параметры молока 12
1.3. Анализ существующих способов и технических средств для 20 обеззараживания жидких продуктов» с использованием электрофизических факторов
1.4. Выводы по главе, цель и задачи исследования 29
2. Теоретическое обоснование параметров установки для сверхвысокочастотного обеззараживания молока
2.1. Объемные резонаторы СВЧ установки для обеззараживания молока
2.2. Обоснование напряженности электрического поля в объемном резонаторе СВЧ генератора, позволяющего обеззараживать молоко
2.3. Расчет необходимого потока мощности ЭМПСВЧ для подавления жизнедеятельности микроорганизмов в молоке
2.4. Методика согласования параметров установки для сверхвысокочастотного обеззараживания молока
2.5. Выводы по главе 67
3. Методика и средства экспериментальных исследований
3.1. Частные методики исследований и измерительная аппаратура 71
3.2. Разработанные проточные- СВЧ установки для обеззараживания молока
3.2.1. Схема технологического процесса производства пастеризованного молока
3.2.2. Описание разработанных установок для обеззараживания молока с использованием энергии электромагнитных излучений
3.2.3. Разработанная, изготовленная и испытанная СВЧ установка для обеззараживания молока
3.3 Выводы по главе 103
4. Результаты исследования технологического процесса свч обеззараживания молока
4.1. Расчет конструктивно-технологических параметров СВЧ установки для обеззараживания молока
4.2. Результаты экспериментальных исследований динамики нагрева молока и снижения общего микробного числа при воздействии электромагнитных излучений
4.3. Оптимизация режимных параметров проточной СВЧ установки для обеззараживания молока
4.4. Выводы по главе 132
5. Оценка эффективности применения свч установки; в технологической линии производства пастеризованного молока
5:1.. Технико-экономические показатели; применения; установки для сверхвысокочастотного обеззараживания молока в составе ,пас-теризационно — охладительного аппарата
5.2. Рекомендации производству по обеззараживанию молока; сиепользованием СВЧ установки
5.3. Требования по технике безопасности при работе с СВЧ установкой для обеззараживания молока
Общие выводы 144
Литература 145
- Электрофизические параметры молока
- Обоснование напряженности электрического поля в объемном резонаторе СВЧ генератора, позволяющего обеззараживать молоко
- Разработанные проточные- СВЧ установки для обеззараживания молока
- Оптимизация режимных параметров проточной СВЧ установки для обеззараживания молока
Введение к работе
Актуальность работы. Производство молока в мире устойчиво увеличивается. В 2010 году объем производства молока в хозяйствах РФ составил 11173,5 тыс. тонн, а в Чувашской Республике - 494,9 тыс. тонн. Причем 24...26 % данного объема содержит общее микробное число выше 1 млн. КОЕ/см3, когда использование традиционной технологии пастеризации молока в пластинчатых теплообменниках, без дополнительного воздействия физических факторов, становится не эффективным.
Известно, что для стерилизации диэлектрических материалов используют мощные, дорогостоящие сверхвысокочастотные (СВЧ) генераторы, требующие сложных систем контроля и управления. Поэтому этот способ для обеззараживания сельскохозяйственных продуктов не получил широкого распространения. В связи с этим разработка установки, без использования мощных генераторов, для сверхвысокочастотного обеззараживания молока, непосредственно в процессе его пастеризации на молочно-товарных фермах, позволяющей улучшить микробиологические показатели, снизить потери продукции, является актуальной научной задачей.
Целью настоящей работы является разработка системы СВЧ обеззараживания молока в процессе пастеризации на фермах, обеспечивающей улучшение микробиологических показателей.
Основные научные задачи:
- разработать методику воздействия электромагнитного поля СВЧ на молоко в линии пастеризации для улучшения микробиологических показателей;
- разработать алгоритм расчета с программным решением, позволяющий обосновать конструктивно-технологические параметры системы и режимы СВЧ обеззараживания молока;
- разработать систему СВЧ обеззараживания молока в линии пастеризации и испытать в производственных условиях;
- оценить технико-экономическую эффективность применения системы СВЧ обеззараживания молока в технологической линии пастеризации.
Научная концепция решаемой задачи. На основе существующих закономерностей процесса эндогенного нагрева жидких продуктов решена научно-техническая задача – разработка системы, обеспечивающей эффективные теплообменные процессы для подавления жизнедеятельности вегетативных форм микроорганизмов в молоке за счет воздействия электрического поля высокой напряженности СВЧ диапазона.
Объектом исследования является система и технологический процесс СВЧ обеззараживания молока в линии пастеризации.
Предмет исследования – режимы СВЧ обеззараживания молока и конструктивно-технологические параметры системы.
Научную новизну результатов исследования представляют:
- аналитические зависимости и алгоритм расчета с программным решением для обоснования и реализации эффективных режимов системы с резонаторными камерами, обеспечивающими высокую напряженность электрического поля СВЧ диапазона, позволяющую обеззараживать молоко;
- конструктивные параметры и режимы работы системы для СВЧ обеззараживания молока в технологической линии пастеризации (заявки на изобретения № 2010143035 - Способ и установка для пастеризации жидких продуктов, № 2010101205 – Установка для тепловой обработки жидкости, положительное решение).
Достоверность основных положений и выводов подтверждена:
- результатами экспериментальных исследований процесса СВЧ обеззараживания молока и актом о положительном испытании системы в цехе по переработке молока Федерального государственного унитарного предприятия учебно-опытного хозяйства «Приволжское» Чебоксарского района Чувашской Республики (ЧР);
- протоколами лабораторий Федерального государственного учреждения здравоохранения «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашия», государственного учреждения «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Госветслужбы Чувашии.
Практическую значимость представляет разработанная сверхвысокочастотная установка для СВЧ обеззараживания молока, испытанная в производственных условиях в составе технологической линии пастеризации, позволяющая улучшить микробиологические показатели и увеличить срок хранения.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Методика воздействия электромагнитного поля СВЧ диапазона на молоко в процессе пастеризации, обеспечивающая контроль и регулирование температуры эндогенного нагрева, улучшение микробиологических показателей путем применения резонаторных камер.
2. Аналитические зависимости и алгоритм расчета с программным решением для обоснования и реализации режимов системы с резонаторными камерами, обеспечивающими высокую напряженность электрического поля СВЧ диапазона, позволяющую улучшить микробиологические показатели молока в процессе пастеризации.
3. Рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров СВЧ установки, обеспечивающие снижение бактериальной обсемененности молока.
Реализация результатов исследований. Исследования по разработке установки для СВЧ обеззараживания молока проводились в соответствии с планом НИОКР ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА». В рамках тематического плана Министерство сельского хозяйства РФ по разделу «Био – нанотехнологий» по теме «Разработка методов обеззараживания молока в очагах инфекции и неблагополучных пунктах, вызванных возбудителями лейкоза и других особо опасных болезней крупного рогатого скота» разрабатывается техническая документация на установку. Исследование процесса обеззараживания молока в электрическом поле высокой напряженности СВЧ диапазона, производственное испытание установки осуществлялись в ФГУП УОХ «Приволжское» Чебоксарского района ЧР. Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», ГОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГОУ ВПО «Казанский ГАУ». На основе гранта общероссийской общественной организации «Российское аграрное движение - РАД» (14.04.2010 г.) и гранта по Программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (18.02.2011 г.) изготовлена экспериментальная установка для СВЧ обеззараживания молока.
Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены на: всероссийской научно-практической конференции ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», Чебоксары (2003…2011 г.г.); международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства», ГОУ ВПО «Марийский ГУ», Йошкар-Ола (2007 г., 2011 г.). Установка демонстрировалась на межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Молодые ученые в решении актуальных проблем современной науки» (ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», Чебоксары, 2010 г., 2011 г.). Результаты диссертационных исследований апробированы в конкурсе «Лучший инновационный проект, в сфере АПК» и были отмечены дипломом и грантом Российского аграрного движения (РАД), (14.04.2010 г.).
Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 12 печатных работах, в том числе 4 ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК и в монографии «Обеззараживание молока в электромагнитном поле сверхвысокой частоты», объемом 11,5 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 198 страницах и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 125 наименований и приложений. В диссертационной работе содержатся 52 рисунка и 30 таблиц.
Электрофизические параметры молока
Чем опасен лейкоз крупного рогатого скота для здоровья1 человека? Научные исследования- показывают,, что в молоке больных коров содержатся лейкозогенные вещества; которые:опасны, для здоровья людей. Действующими;; директивными документами» молоко от больных лейкозом коров «запрещается использовать для питания людей, его следует после, кипячения скармливать телятам или поросятам, находящимся на откорме. Для человека опасен не возбудитель болезни, который: погибает при пастеризации молока, а надичие в нем: онкогенных веществ, которые не обеззараживаются даже кипячением.
Экономический ущерб, причиняемый заболеванием коров лейкозом хозяйству, достигает значительных размеров по многим причинам, в том числе за счет затрат на обеззараживание молока. Помимо экономического ущерба большую озабоченность вызывает качество используемой в пищу продукции от больных животных [8,62].
Как и в большинстве регионов России, в Чувашской Республике также распространено инфекционное заболевание, как лейкоз крупного рогатого скота. Анализ данных показал, что из 211564 голов обследованных коров; 13450 коров инфицированы вирусом лейкоза, и 3869 голов болеют лейкозом (1,8% от исследуемого поголовья) [98] Средний процент выявляемое вируса лейкоза-крупного рогатого скота среди коров за период с 2001 по 2005 гг. составил 27,1 %, среди нетелей - 33%. За пятилетний период инфицированных нетелей было выявлено на 5,9% больше, чем инфицированных коров;
Таким образом результаты гематологических исследований, показали высокий уровень инфицирования вирусом лейкоза крупного рогатого скота в республике, особенно среди коров и нетелей. Следовательно, необходимо принимать кардинальные меры по оздоровлению стад от данного заболеваниями по обеззараживанию молока.
Химические свойства молока. К ним относятся его общая и активная кислотность. Активная кислотность молока характеризуется концентрацией свободных водородных ионов и выражается величиной рН1. Она колеблется в пределах 6,3...6,9. [7]. Общая кислотность молока обусловлена содержанием в нем белков, кислых солей и газов. Кислотность молока изменяется в течение лактации: вначале она бывает высокой - 20...22Т, а к концу лактации снижается до 12... 14Т. Молоко на молочные заводы принимают с кислотностью 19Т, на маслозаводы - до 20Т [6,7].
Физические свойства молока. К ним относятся: плотность, вязкость, поверхностное натяжение, оптические свойства, осмотическое давление, температура замерзания и кипения, электропроводность, удельная теплоемкость и др. [23,28]. Органолептические свойства свежевыдоенного молока должны отвечать следующим требованиям: вкус и запах чистые, без привкусов, не свойственных свежему молоку; по внешнему виду оно должно4 представлять собой однородную жидкость, без осадка; белого цвета, со слегка желтоватым оттенком, для обезжиренного молока — белого со слегка синеватым оттенком. Плотностью молока, по ГОСТ 3625-74, называется отношение веса молока при температуре 20 к весу воды в том же объеме при температуре 4. Плотность молока обусловливается плотностью его составных частей, причем белки, углеводы и соли повышают плотность, а жир понижает. Плотность обезжиренного молока выше, чем цельного, и равна 1,033...1,038г/см . Плотность отдельных составных частей молока приведена в таблице 1.3 [18,24,42].
Вязкость молока, зависит от содержания белков и их солей. Известно, что гомогенизация, а также слипание жировых шариков увеличивают вязкость молока. Коэффициент динамической вязкости при температуре молока 5С со- ставляет 2,96-103Па-с, а при 75С - 0,59-103Па-с. Кинематическая вязкость мо-лока при температуре 5С составляет 2,87-10" м /с, апри 75С -0,58-10" м7с.
Поверхностное натялсение - сила, действующая на поверхность жидкости. Поверхностное натяжение воды при 20С равно 72,8 дин/см, молока -50,16... 62,88 дин/см. Между вязкостью и поверхностным натяжением молока наблюдается обратная корреляционная зависимость [23].
Осмотическое давление и точка замерзания молока как биологической жидкости почти не отличаются от таковых крови. Средняя температура замерзания коровьего молока около - 0,555С, а осмотическое давление молока в среднем равно 6,7 атм.
Тепловые свойства молока и молочных продуктов характеризуются теплопроводностью, температуропроводностью и теплоемкостью. Удельная теплоемкость молока при изменении температуры от 5 до 75С составляет 3,87...3,85Дж/кг-С. Коэффициент теплопроводности молока при 20С составляет 0,49 Вт/(м-С), а при 75С - 0,63 Вт/(м-С). Коэффициент температуропро-водности молока при 15С равен 10 м7с, а при 75С - 9,72 м7с.
Электропроводность молока колеблется 39,37-10" 4 ...51,29-10" 4 1/Ом. На электропроводность молока влияет физиологическое состояние коров, а также различные заболевания. При заболеваниях животных в молоке повышается содержание солей, поэтому величина электропроводности увеличивается, доходя иногда, например, при мастите и туберкулезе до 130-10"4 1/Ом.
Обоснование напряженности электрического поля в объемном резонаторе СВЧ генератора, позволяющего обеззараживать молоко
Местный перегрев молока возможен при образовании в камере нагрева застойных зон, что свидетельствует о несовершенстве выбранной электродной системы. Классическим примером аппаратов подобного типа является электродный пастеризатор проф. Атена (Голландия). Пастеризатор состоит из 6 отдельных стеклянных цилиндров, 7 графитовых пластинчатых электродов с отверстиями и работает на напряжении от 0,22 до 3 кВ. Для регулировки конечной температуры молока от 70 до 85С, изменяют скорость его протекания. В аппарате низкого напряжения (220 В), при производительности 300...500 л/ч и нагреве от 10 до 70С, расход электроэнергии составляет 0,071 кВт ч/л. [15].
Схема 3. Высокочастотная пастеризация отличается быстродействием и равномерностью прогрева молока, обеспечивающая минимальные изменения его физико-химических свойств. Высокочастотный пастеризатор Е. П. Вино градова (рис. 1.6) проточного типа имел цилиндрическую камеру из" изолирующего материала, которую охватывали с двух сторон обкладки высокочастотного конденсатора [15].
Высокочастотный.пастеризатор Виноградова: 1 — молокопровод; 2 — верхняя крошка; 3 — пластина высокочастотного конденсатора; 4 — защитный кожух; 5 — стеклянный цилиндрический сосуд (камера нагрева); 6 — молокоприемное отверстие
По исследованиям Е. П. Виноградова, наилучшие результаты пастеризации достигаются при частотах 35...50 МГц и скорости нагрева 40 С в секунду. В отличие от низкочастотных (электродных) пастеризаторов, в которых теплообразование происходит в основном в водяной части молока, при высокочастотной пастеризации происходит прямой нагрев и других составляющих молока и, в частности, микроорганизмов, что позволяет осуществлять селективный нагрев и за счет этого снижать температуру пастеризации до 50 С, подобрав частоту, наиболее губительную для микроорганизмов. Расход электроэнергии в высокочастотных пастеризаторах довольно высок и составляет 0,05...0,06 кВт-ч/л..
Магнитная обработка воды применяется для предотвращения образования накипи при работе водогрейных и паровых котлов. Обработка воды в магнитном поле заключается в пропускании ее через рабочий зазор прибора, в котором созданы магнитные поля чередующейся полярности.
При этом в воде происходит ряд физико-химических изменений, и кристаллики шламовой накипи плохо сцепляются со стенками [15].Скорость те чения воды 0,4... 1 м/с, напряженность магнитного поля 13...19А/м, температура воды не более 60...70С.
Обеззараживание молока ультрафиолетовым и инфракрасным облучением (актинизация) осуществляют при помощи установок актинизаторов, устанавливаемых в поточную технологическую линию первичной обработки молока [23]. Предварительно очищенное и нормализованное молоко молочным насосом подается из емкости в секцию регенерации и подогревается теплом молока, прошедшего пастеризационный цикл. Далее подогретое молоко поступает в картер ультрафиолетового облучения, где, проходя по кварцевым трубам, облучается ультрафиолетовым спектром лучей. Под действием этого облучения в молоке из провитаминов образуется витамин D3. Обогащенное витамином молоко из картера ультрафиолетового облучения поступает в другую секцию — регенерации, дополнительно подогревается и подается для пастеризации в картер инфракрасного излучения, где установлено шесть инфракрасных излучателей с цилиндрическими отражателями. В этом картере по трубам из кварцевого стекла турбулентным потоком протекает молоко со скоростью 2...2,5 м/с и нагревается инфракрасным облучением, до заданной температуры 80...85С. Инфракрасные лучи проникают через кварцевое стекло, не нагревая его, и всю энергию отдают молоку. Далее процесс протекает по традиционной схеме.
Охлаждение рассолом Охлаждение водой Регенераи ия1 г 1 Пастеризация ИК излучением облучение Схема процесса обеззараживания молока с помощью актинизатора Производительность актинизаторов от 0,5 до 5т/ч. Потребляемая мощ ность на пастеризацию 1 л молока 12... 16 Вт, что примерно в 3 раза ниже, чем при использовании теплообменных аппаратов. Проведены испытания актинизатора, производительностью 500 л/ч.
Как показали результаты.микробиологического и химического исследования молока, эффективность пастеризации, при температурном режиме обработки молока 85С, составляет 99,83...99,99%, а устойчивость при хранении в холодильнике (+5С) - 8... 10 суток, при комнатной температуре (+20С) - 36...60 ч, в термостате (37G) -14...20 ч. Энергозатраты составляют 17,8... 18,6 Вт-ч/л.
Схема 6. Ультразвуковая обработка молока. Для технических целей наибольшее распространение получил диапазон частот в пределах от 16 до 1600 кГц [10]. Основные элементы системы ультразвуковых колебаний - это преобразователь, акустический трансформатор скорости и детали крепления. Наибольшее распространение получили электрические источники с пьезоэлектрическими и магнитострикционными преобразователями. В основе бактерицидного действия ультразвука лежит механическое воздействие на бактерии, вызывающее их раздробление. Разрушающее действие интенсивных ультразвуковых колебаний в жидкости обусловлено в основном явлением кавитации. Зона кавитации, в которой наблюдается бактерицидный эффект, называется зоной эффективной обработки [33,114,117,118,119,121].
Схема 7. Обеззараживание воды бактерицидным излучением. Имеются промышленные установки для обеззараживания жидкости с использованием бактерицидных ламп УФ излучений.
Обеззараживание воды основано на ее прозрачности для ультрафиолетового излучения области С и на способности его убивать рассеянные в воде микроорганизмы. Установка типа ОВ-АКХ-1 для обеззараживания воды, выпускаемая промышленностью (рис. 1.9), имеет объем от 30 до 150 л. Удельный расход электроэнергии на обеззараживание воды равен 0,03...0,08 кВт-ч/ л . Источни-ком бактерицидного излучения служат 1 ...5 ламп ДРТ-1000 (одна лампа на одну камеру). Достигается обеззараживание механически очищенной воды с исходным коли - индексом р = 2000 до коли - индекса р 1 (коли - индекс - количество бактерий кишечной палочки віл воды) [82].
Разработанные проточные- СВЧ установки для обеззараживания молока
Местный перегрев молока возможен при образовании в камере нагрева застойных зон, что свидетельствует о несовершенстве выбранной электродной системы. Классическим примером аппаратов подобного типа является электродный пастеризатор проф. Атена (Голландия). Пастеризатор состоит из 6 отдельных стеклянных цилиндров, 7 графитовых пластинчатых электродов с отверстиями и работает на напряжении от 0,22 до 3 кВ. Для регулировки конечной температуры молока от 70 до 85С, изменяют скорость его протекания. В аппарате низкого напряжения (220 В), при производительности 300...500 л/ч и нагреве от 10 до 70С, расход электроэнергии составляет 0,071 кВт ч/л. [15].
Схема 3. Высокочастотная пастеризация отличается быстродействием и равномерностью прогрева молока, обеспечивающая минимальные изменения его физико-химических свойств. Высокочастотный пастеризатор Е. П. Вино градова (рис. 1.6) проточного типа имел цилиндрическую камеру из" изолирующего материала, которую охватывали с двух сторон обкладки высокочастотного конденсатора [15].
Высокочастотный.пастеризатор Виноградова: 1 — молокопровод; 2 — верхняя крошка; 3 — пластина высокочастотного конденсатора; 4 — защитный кожух; 5 — стеклянный цилиндрический сосуд (камера нагрева); 6 — молокоприемное отверстие
По исследованиям Е. П. Виноградова, наилучшие результаты пастеризации достигаются при частотах 35...50 МГц и скорости нагрева 40 С в секунду. В отличие от низкочастотных (электродных) пастеризаторов, в которых теплообразование происходит в основном в водяной части молока, при высокочастотной пастеризации происходит прямой нагрев и других составляющих молока и, в частности, микроорганизмов, что позволяет осуществлять селективный нагрев и за счет этого снижать температуру пастеризации до 50 С, подобрав частоту, наиболее губительную для микроорганизмов. Расход электроэнергии в высокочастотных пастеризаторах довольно высок и составляет 0,05...0,06 кВт-ч/л..
Магнитная обработка воды применяется для предотвращения образования накипи при работе водогрейных и паровых котлов. Обработка воды в магнитном поле заключается в пропускании ее через рабочий зазор прибора, в котором созданы магнитные поля чередующейся полярности.
При этом в воде происходит ряд физико-химических изменений, и кристаллики шламовой накипи плохо сцепляются со стенками [15].Скорость те чения воды 0,4... 1 м/с, напряженность магнитного поля 13...19А/м, температура воды не более 60...70С.
Обеззараживание молока ультрафиолетовым и инфракрасным облучением (актинизация) осуществляют при помощи установок актинизаторов, устанавливаемых в поточную технологическую линию первичной обработки молока [23]. Предварительно очищенное и нормализованное молоко молочным насосом подается из емкости в секцию регенерации и подогревается теплом молока, прошедшего пастеризационный цикл. Далее подогретое молоко поступает в картер ультрафиолетового облучения, где, проходя по кварцевым трубам, облучается ультрафиолетовым спектром лучей. Под действием этого облучения в молоке из провитаминов образуется витамин D3. Обогащенное витамином молоко из картера ультрафиолетового облучения поступает в другую секцию — регенерации, дополнительно подогревается и подается для пастеризации в картер инфракрасного излучения, где установлено шесть инфракрасных излучателей с цилиндрическими отражателями. В этом картере по трубам из кварцевого стекла турбулентным потоком протекает молоко со скоростью 2...2,5 м/с и нагревается инфракрасным облучением, до заданной температуры 80...85С. Инфракрасные лучи проникают через кварцевое стекло, не нагревая его, и всю энергию отдают молоку. Далее процесс протекает по традиционной схеме.
Охлаждение рассолом Охлаждение водой Регенераи ия1 г 1 Пастеризация ИК излучением облучение Схема процесса обеззараживания молока с помощью актинизатора Производительность актинизаторов от 0,5 до 5т/ч. Потребляемая мощ ность на пастеризацию 1 л молока 12... 16 Вт, что примерно в 3 раза ниже, чем при использовании теплообменных аппаратов. Проведены испытания актинизатора, производительностью 500 л/ч.
Как показали результаты.микробиологического и химического исследования молока, эффективность пастеризации, при температурном режиме обработки молока 85С, составляет 99,83...99,99%, а устойчивость при хранении в холодильнике (+5С) - 8... 10 суток, при комнатной температуре (+20С) - 36...60 ч, в термостате (37G) -14...20 ч. Энергозатраты составляют 17,8... 18,6 Вт-ч/л.
Схема 6. Ультразвуковая обработка молока. Для технических целей наибольшее распространение получил диапазон частот в пределах от 16 до 1600 кГц [10]. Основные элементы системы ультразвуковых колебаний - это преобразователь, акустический трансформатор скорости и детали крепления. Наибольшее распространение получили электрические источники с пьезоэлектрическими и магнитострикционными преобразователями. В основе бактерицидного действия ультразвука лежит механическое воздействие на бактерии, вызывающее их раздробление. Разрушающее действие интенсивных ультразвуковых колебаний в жидкости обусловлено в основном явлением кавитации. Зона кавитации, в которой наблюдается бактерицидный эффект, называется зоной эффективной обработки [33,114,117,118,119,121].
Схема 7. Обеззараживание воды бактерицидным излучением. Имеются промышленные установки для обеззараживания жидкости с использованием бактерицидных ламп УФ излучений.
Обеззараживание воды основано на ее прозрачности для ультрафиолетового излучения области С и на способности его убивать рассеянные в воде микроорганизмы. Установка типа ОВ-АКХ-1 для обеззараживания воды, выпускаемая промышленностью (рис. 1.9), имеет объем от 30 до 150 л. Удельный расход электроэнергии на обеззараживание воды равен 0,03...0,08 кВт-ч/ л . Источни-ком бактерицидного излучения служат 1 ...5 ламп ДРТ-1000 (одна лампа на одну камеру). Достигается обеззараживание механически очищенной воды с исходным коли - индексом р = 2000 до коли - индекса р 1 (коли - индекс - количество бактерий кишечной палочки віл воды) [82].
Оптимизация режимных параметров проточной СВЧ установки для обеззараживания молока
Определяют общую площадь поверхности теплообмена аппарата, суммируя рассчитанные поверхности теплообмена каждой секции, затем сравнивают паспортные данные теплообменного аппарата с расчетными значениями и выясняют, обеспечит ли установка выбранный режим тепловой обработки молока [58,59,61].
Тепловой расчет установки для пастеризации и обеззараживания молока. Исходные данные для расчета: производительность G = 0,7 кг/с (2500 кг/ч); начальная температура молока // = 10С; температура пастеризации молока t3 — 78С; температура охлажденного молока t6 = 5С; температура холодной воды t в= 10С; температура рассола, входящего в секцию рассольного охлаждения (вместо рассола можно применять ледяную воду с температурой 1С ) tр = - 5С; коэффициент регенерации є = 0,82; кратность расхода горячей воды пгв= 5; кратность расхода холодной воды пгв= 3; кратность расхода рассола пр = 2; разность температур в секции регенерации Atp\ температура горячей воды, входящей в секцию пастеризации Ґг; температура горячей воды, выходящей из секции пастеризации L"; температура выходящей холодной воды из секции водяного охлаждения tb"; температура рассола, выходящего из секции tp"; температура молока, выходящая из I секции регенерации t2 \ температура молока, входящего в секцию пастеризации Ь, температура молока, входящею в секцию охлаждения водой t4\ температура молока, выходящего из секции охлаждения водой t5\ удельная теплоемкость молока см = 3935 Дж/(кгС); удельная теплоемкость холодной и горячей воды св = 4186 Дж/(кгС); удельная теплоемкость рассола ср = 3388 Дж/(кг.С) [88].
Недостающие значения температур рабочей и обрабатываемой жидкости определяют по формуле [85,87]: МР =(l-0,82)-(78-10) = 12,24С. (4.10) Температуру молока, входящего в секцию пастеризации, определяют по фор муле: t2 =78 -12,24 = 65,76 С, значение равно 45С. (4.11) Температуру молока, входящего в секцию охлаждения водой, определяют из соотношения: /4 =10 + 12,24 = 22,24С. (4.12) Температуру горячего молока, входящего в первую секцию регенерации, опре деляют по формуле Г, =45+ 12,24 = 57,24 С. (4.13) Температуру молока, выходящего из секции охлаждения водой, определяют из выражения t5 = te +5 = 10+5 = 15 С. (4.14)
Температуры выходящей горячей воды, холодной воды и рассола определяют из уравнения теплового баланса, составленного для каждой секции по нижеприведенным формулам.
Определяют средний температурный напор для всех секций аппарата: для секции регенерации Дґб=78-65,76=12С; А/ 65,76-5 5=1 ГС; Atcp=\1,5С; для секции пастеризации А/б=77,74-65,76=11,74С; Дґм=80-78=2С; А =5,51С; для секции водяного охлаждения Д/б =22,24-12,24= 10С; ДгЛ=15-10=5С; А =7,21С; для секции рассольного охлаждения Агб =15-1=14С; А/Л1=5-(-5)=10С; МСР=\2С. График распределения температур в секциях Результаты экспериментальных исследований динамики нагрева молока и снижения ОМЧ при воздействии физических факторов
Наиболее существенными факторами, влияющими на эффективность сверхвысокочастотного обеззараживания молока, являются: продолжительность и скорость эндогенного нагрева, удельная мощность генератора, напряженность электрического поля. Результаты исследования процесса обеззараживания молока за счет воздействия электрического поля высокой напряженности СВЧ диапазона приведены ниже. Свежевыдоенное охлажденное до 6 градусов молоко распределяли на 6 вариантов, в трехкратной повторности. Два варианта не пастеризовали, два пастеризовали по традиционной схеме в кратковременном режиме и еще два варианта подвергали к обеззараживанию с помощью разработанной СВЧ установки, после секции пастеризации. Все шесть вариантов хранили при соответствующих температурах 5 и 10 С. Через каждые четыре часа в первые сутки и через 8... 10 часов во вторьте и третьи сутки проводили посев для проверки на бактериальную загрязненность. Результаты показали, что продолжительность хранения молока увеличивается с 33 до 48 часов, при температуре хранения 10 градусов, если после традиционной пастеризации его обеззараживать в электромагнитном поле высокой напряженности СВЧ диапазона (рис.4.3). Общее микробное число не превысило при этом допусти-мого для молока первого сорта 500 тыс. КОЕ/см .
Исследования, проведенные на молоке, содержащем в исходном состоянии ОМЧ, равное 1,045 млн. КОЕ/см3. показывают, что при превышении температуры эндогенного нагрева молока на 20С за 20...23 с, при удельной мощ-ности 10 Вт/г, содержание ОМЧ снизится до 500 тыс. КОЕ/см (рис. 4.5). Снижение ОМЧ при превышении температуры эндогенного нагрева описывается выражением
Зависимость снижения общего микробного числа от превышения эндогенного нагрева молока и его динамика нагрева при разной удельной мощности
Микробиологические и биохимические исследования проб молока осуществляли в ГУ «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Гос-ветслужбы Чувашии. По основным показателям биохимического анализа проб молока отклонений не было отмечено и находились они в пределах ошибки опыта. За счет циклического воздействия электромагнитного поля высокой напряженности СВЧ диапазона происходило подавление жизнедеятельности микроорганизмов в молоке. Пользуясь методикой активного планирования трех-факторного эксперимента и программой «Statistic V5.0», построены поверхности откликов и их двумерные сечения в изолиниях таких моделей как: изменения ОМЧ в молоке, производительности установки, скорости нагрева молока в зависимости от варьируемых параметров (удельной мощности генератора и общей продолжительности воздействия электрического поля высокой напря-женности СВЧ диапазона), при плотности молока 1027 кг/м . четырех резонаторной установки для СВЧ обеззараживания молока
Для определения эффективных технологических параметров проводили испытание установки для СВЧ обеззараживания молока в производственных условиях. При этом распределение температуры в пластинчатом теплообменнике представлено на рис. 4.6.
Для обоснования режимов обеззараживания молока воспользовались матрицей планирования 3-х факторного активного эксперимента (табл. 4.4) [99]. Варьируемыми параметрами являются: Х\ - удельная мощность СВЧ генерато-ра, Вт/г; х? - продолжительность воздействия, с; JCJ - плотность молока, кг/м . Критериями оптимизации являются: Y/ — скорость нагрева молока, С/с; Уг — превышение температура нагрева молока С; Y3 - производительность СВЧ ус-тановки, кг/ч; Y4 - общее микробное число, КОЕ/см" (рис. 4.7...4.10).
