Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние пастеризации молока и задачи исследования 13
1.1. Требования к качеству молока и молочной продукции 13
1.2. Физико-химические свойства молока 20
1.3. Анализ существующих способов пастеризации молока 34
1.4. Цель и задачи исследования 43
2. Теоретические исследования УФ и ИК - обеззараживания молока 46
2.1. Исследование оптических свойств молока под воздействием УФ - излучений 46
2.2. Методика расчета необходимых параметров устройства УФ - обеззараживания молока 50
2.3. Исследование воздействия УФ и ИК - излучения на микробный, витаминный и аминокислотный состав молока 55
2.4. Выводы по главе 70
3. Экспериментальное обоснование технологических и конструктивных параметров рабочих органов установки обеззараживания молока УФ и ИК - излучением 72
3.1. Разработка и экспериментальное обоснование параметров устройства для УФ-обработки молока 72
3.2. Разработка и изготовление экспериментального образца установки для обеззараживания молока УФ и ИК - излучением производительностью 200-1000л/ч 77
3.3. Выводы по главе 83
4. Испытание экспериментального образца установки для обеззараживания молока УФ и ИК - излучением 84
4.1. Результаты экспериментальных исследований при различных режимах обеззараживания молока УФ и ИК - излучением 84
4.2. Технико-экономические и технологические показатели установки обеззараживания молока УФ и ИК - излучением 94
4.3. Выводы по главе 97
Общие выводы 98
Список использованных источников 99
Приложения 110
Приложение № 1. Описание изучаемых патентов 110
Приложение № 2. Серийно выпускаемые пастеризаторы для жидкостей 125
Приложение № 3. Исходные требования на установку УФ и ИК - обеззараживания молока производительностью до 1000л/ч 129
Приложение № 4. Свидетельство о поверке УФ - радиометра ТКА-АВС 138
Приложение № 5. Акты производственных испытаний установки обеззараживания молока УФ и ИК - излучением 139
- Физико-химические свойства молока
- Исследование воздействия УФ и ИК - излучения на микробный, витаминный и аминокислотный состав молока
- Разработка и изготовление экспериментального образца установки для обеззараживания молока УФ и ИК - излучением производительностью 200-1000л/ч
- Результаты экспериментальных исследований при различных режимах обеззараживания молока УФ и ИК - излучением
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время очистка молока от микроорганизмов и его пригодность для непосредственного употребления в пищу осуществляется тепловой обработкой. При тепловой обработке расходуется значительная часть электрической энергии. Развитие молочного производства предусматривает необходимость разработки и внедрения новых способов пастеризации, дополнительной бактерицидной обработки молока и максимального сохранения в нем биологически ценных веществ.
Одной из таких актуальных нетрадиционных электротехнологий может стать «нетепловая» обработка молока, которая основана на использовании бактерицидных свойств УФ - излучения. При облучении молока УФ -излучением интенсивно происходит уничтожение микроорганизмов и синтез витаминов группы D. Проблема использования новых технических средств оптической электротехнологии для обработки молока требует комплексного решения, учитывающего органолептические, физико-химические и микробиологические показатели молока, которые ранее ухудшались за счет применения озонообразующих ртутных ламп высокого давления. Появление в настоящее время безозонных амальгамных ртутных ламп низкого давления (НД) мощностью 100 - 300 Вт, позволило вновь вернуться к исследованию данной проблемы. Данная работа посвящена комбинированному обеззараживанию молока УФ и ИК -излучением.
Исследования и разработки выполнялись автором в соответствии с контрактом с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации № 1280/13 от 02 сентября 2008 года (Департамент пищевой и молочной промышленности) «Разработать нанотехнологии воздействия электромагнитных волн в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах на биологически активные вещества молока» в течение 2008 - 2009 годов.
Исследования по обработке молока УФ и ИК -излучением потребовали использования достижений современной науки и техники (светотехники, микробиологии, технологии обработки молока и других), поэтому они проводились в содружестве с несколькими научными учреждениями и организациями: ВНИМИ, НПО «ЛИТ» и др.
Целью работы является научное обоснование параметров установки для совместного воздействия УФ и ИК - излучением на молоко для уменьшения бактериальной обсемененности до 3105 КОЭ/см3 и снижения расхода электрической энергии на обеззараживание молока.
Основные задачи исследования:
1. Провести аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по пастеризаторам молока и оценке воздействия электромагнитных излучений в УФ и ИК - диапазонах на свойства молочного продукта с целью определения резервов энергосбережения при обеззараживании молока.
2. Разработать методику и метод энергосбережения при комбинированном обеззараживании молока УФ и ИК - излучением, направленные на снижение потребления электрической энергии и получение молока первого сорта.
3. Провести экспериментально-теоретическое обоснование параметров конструкции и режимов УФ - облучателя и разработать методику расчета облучательного бактерицидного устройства (ОБУ) для обеззараживания молока.
4. Разработать исходные требования и определить технологические показатели экспериментального образца установки для обработки молока УФ и ИК- излучениями.
5. Провести производственные испытания экспериментального образца установки комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК- излучением и технико-экономическую оценку эффективности применения разработанной установки.
Объектом исследования являются экспериментальный образец комбинированного УФ и ИК -пастеризатора молока с применением устройства УФ - облучения, технологические мероприятия и молоко.
Предмет исследования: технологические линии обработки молока, которые основаны на использовании бактерицидных свойств УФ -излучения совместно с ИК- пастеризатором для снижения обсемененности и температуры нагрева.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
1. Теоретическими исследованиями обоснованы эффективные режимы и параметры обеззараживания молока устройством УФ -облучения (доза облучения - 16мДж/см2, бактерицидный поток - 49 Вт, облученность – 8,1 Вт/м2, время обработки менее 2 с, слой обрабатываемого молока - до 0,75 см и коэффициент поглощения молока разной жирности – 0,37-0,47 см-1).
2. Разработан метод расчета параметров используемой безозонной амальгамной лампы НД мощностью 145 Вт для устройства УФ-обработки молока, обеспечивающего снижение обсемененности молока на один порядок.
3. Предложен комбинированный способ обеззараживания молока УФ и ИК- излучениями, получено молоко 1-го сорта (снижена обсемененность до 3105 КОЭ/см3 при температуре 72 оС).
4. Разработаны рекомендации и исходные требования на установку комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК -излучением. Определена экономическая эффективность установки комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК -излучением 81590 рублей для фермы на 400 коров за год и получен технологический эффект в виде витамина D3.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. УФ - облучатель с бактерицидной амальгамной лампой НД мощностью 145 Вт для установок комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК - излучением с толщиной слоя молока до 0,75 см, реализующий рациональные параметры и режимы работы при обеззараживании молока.
2. Методика расчета и выбора эффективных параметров устройства для УФ - обработки молока, позволяющего снизить затраты электроэнергии на 30% и обсемененность молока до 3105 КОЭ/см3.
3. Результаты производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности установки обеззараживания молока УФ и ИК - излучением.
Практическая значимость исследования:
- снижены затраты электроэнергии на 30% и получены молочные продукты с заданными свойствами при совместной обработке молока УФ и ИК - излучением;
- разработано устройство обеззараживания молока УФ - излучением для использования в комбинированном режиме облучения с ИК - пастеризатором, позволяющее снизить обсемененность до 3105 КОЭ/см3 при температуре 72оС;
- разработаны исходные требования на установку обеззараживания молока УФ и ИК - излучением производительностью до 1000 л/час;
- годовой экономический эффект от реализации результатов работы составляет 81590 рублей для молочной фермы на 400 коров.
Апробация результатов исследования
Основные положения и результаты диссертационной работы использованы при подготовке отчетов по контракту № 1280/13 от 02 сентября 2008 года с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации (Департамент пищевой и молочной промышленности) в 2009 году; доложены и одобрены на 7-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (18 - 19 мая 2010 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ).
Публикации
Основные положения и результаты диссертации изложены в 8 печатных работах, в том числе в трех работах в издании, указанном в Перечне ведущих журналов и изданий ВАК Минобразования и науки РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на 109 страницах текста, содержит 17 рисунков, 15 таблиц и 5 приложений на 36 страницах. Список использованной литературы включает 109 наименований, из которых 6 на иностранных языках.
Физико-химические свойства молока
Физико-химические свойства молока как единой и сложной полидисперсной системы обуславливаются содержанием, степенью дисперсности и взаимосвязью его компонентов. По физико-химическим свойствам судят о свежести и натуральности молока, возможности и степени его фальсификации, о технологических свойствах и целесообразной направленности его переработки. Величины, характеризующие физико-химические свойства молока, необходимы для разработки современного технологического оборудования, приборов для контроля состава и свойств молока.
Концентрация и состояние дисперсных фаз молока оказывают влияние на плотность, кислотность, вязкость и поверхностное натяжение молока. Компоненты молока, находящиеся в состоянии истинных растворов, обусловливают осмотическое давление, электропроводность, температуру замерзания.
Кислотность. Свежевыдоенное молоко имеет кислую реакцию, обусловленную наличием в молоке кислых белков и солей, лимонной кислоты и растворенного диоксида углерода.
Кислотность молока является основным критерием оценки его свежести. В молочной промышленности принято судить о свежести молока по его титруемой кислотности. Титруемая кислотность выражается в условных градусах Тернера (Т).
Кислотность свежевыдоенного молока составляет 16-18Т.
Титруемая кислотность свежего молока зависит от рациона кормления коров, породы, возраста, периода лактации, состояния здоровья и индивидуальных особенностей животного.
В первые дни после отела кислотность молока наиболее высока в связи с увеличенным содержанием белков, минеральных солей, а затем она в течение 40-60 дней снижается и устанавливается на уровне 16-18 Т. Стародойное молоко имеет низкие показатели кислотности -13-14 Т, а в последние дни лактации она может понизиться до 5-6 Т.
Кислотность молока понижается при заболевании коров: у больных маститом - до 8-6 Т (молоко даже может приобрести щелочную реакцию у больных туберкулезом - до 14-7,3 Т.
Буферные свойства. Молоко представляет собой буферную систему, характеризующуюся способностью поддерживать постоянную величину рН при добавлении небольших количеств кислот или щелочи. Буферные свойства молока зависят от наличия в нем в первую очередь белков, гидрофосфатов, цитратов и двуокиси углерода. Этим объясняется то, что при повышении титруемой кислотности с развитием молочнокислой микрофлоры величина рН некоторое время остается без изменения, а потом снижается незначительно. Белки молока обладают буферными свойствами, так как они имеют карбоксильные и аминные группы. Буферная способность молока характеризуется буферной емкостью.
Наибольшая буферная емкость молока достигается при рН 4,5-6,5; при других значениях рН она снижается. Буферная емкость молока различна у разных пород коров. Она повышена, например, в молоке коров джерсейской породы из-за большого содержания буферных веществ по сравнению с молоком коров голштинской породы.
Разбавление молока водой приводит к повышению рН, а удаление влаги при сгущении молока - к снижению. При пастеризации рН сначала немного повышается вследствие удаления С02, а затем понижается, так как одновременное образование коллоидного фосфата кальция сопровождается выделением водородных ионов. В результате совместное прохождение этих реакций не приводит к существенным изменениям рН пастеризованного молока. По величине рН судят о качестве сырого молока и молочных продуктов.
Плотность - это отношение массы вещества к занимаемому им объему. В системе СИ за единицу плотности принят килограмм на кубический метр (кг/м3). Плотность молока - это отношение массы определенного объема молока при температуре 20 С к массе такого же объема воды при температуре 4С. Плотность молока зависит от содержания и плотности в него компонентов и колеблется в пределах от 1015 до 1033 кг/м3, составляя в среднем для заготовляемого молока 1028,5 кг/м3. Плотность компонентов молока приведена в таблице 1.
Чем больше в молоке содержится воды и жира, тем ниже плотность молока и наоборот, чем выше содержание белков, углеводов, минеральных веществ тем выше плотность молока. Поэтому плотность обезжиренного молока с повышенным содержанием белков и пониженным - жира выше плотности цельного молока и составляет 1033 - 1038 кг/м3.
В различных природно-хозяйственных зонах нашей страны плотность молока изменяется в зависимости от породы, условий кормления, содержания коров, их здоровья, лактационного периода, от изменений в химическом составе молока.
При повышении температуры происходит увеличение объема молока и плотность его понижается; с понижением температуры, наоборот, плотность увеличивается. Поэтому, необходимо вводить поправку на температуру для приведения значения плотности при температуре определения к плотности при 20 С.
Осмотическое давление и температура замерзания. Осмотическое давление имеет важное физиологическое значение для живых организмов, так как является фактором регулирования состава жидкостей и обмена веществ между тканями.
Осмотическое давление молока, образующегося в молочной железе животного соприкасающегося с другими жидкостями в организме животного соприкасающегося с другими жидкостями в организме животного (кровью, лимфой, желчью), должно быть близким к осмотическому давлению жидкостей организма. В противном случае будет происходить обмен между соприкасающимися жидкостями, и состав молока в зависимости от времени его пребывания в организме и других условий изменится. Повышение осмотического давления в молоке вызывает плазмолиз клеток микробов и их гибель, как это происходит в сгущенном молоке с сахаром.
У здоровых коров осмотическое давление молока в среднем составляет 0,65-0,66 МПа и является величиной постоянной, как это свойственно физиологическим жидкостям организма животного.
Температура замерзания молока, как и осмотическое давление, зависит, прежде всего, от концентрации веществ, образующих истинный раствор в молоке. Существует связь между осмотическим давлением и температурой замерзания: чем выше осмотическое давление, тем ниже температура замерзания. Температура замерзания молока - также относительно постоянная величина и колеблется в зависимости от химического состава молока в узких пределах - от минус 0,51 до минус 0,59 С и в среднем составляет минус 0,54 С.
Температура замерзания молока изменяется в течение лактационного периода, при заболевании животного, разбавлении молока водой, фальсификации содой, повышении кислотности. Молозиво имеет точку замерзания от минус 0,57 до минус 0,58 С, в начале лактационного периода - до минус 0,564 С, в середине его - до минус 0,55 С, а к концу лактации -до минус 0,581 С. При заболевании коров точка замерзания молока понижается, а в молозиве больных коров доходит до минус (0,8-0,9) С.
Вязкость молока является важным показателем физико-химических свойств молока и зависит от содержания и физического состояния его компонентов. Технологические процессы производства таких молочных продуктов как сгущенное молоко, сметана, мороженое, сыр и др., а также их качество контролируются и регулируются показателями вязкости.
Исследование воздействия УФ и ИК - излучения на микробный, витаминный и аминокислотный состав молока
К числу широко распространенных и энергоемких процессов первичной обработки молока относится термообработка. В процессе тепловой обработки в зависимости от температуры и продолжительности воздействия изменяются коллоидные физико-химические и биологические, органолептиче-ские и технологические свойства молока и отдельных его компонентов. В результате молоко приобретает специфические вкус, запах и цвет, изменяются его вязкость, кислотность, поверхностное натяжение, окислительно-восстановительный потенциал, способность сливок к отстаиванию, казеина - к коагуляции и сычужному свертыванию.
При исследовании данного вопроса было уделено внимание следующим характеристикам:
1. Характеристики УФ-излучения и его бактерицидное действие.
2. Степень воздействия УФ- и ИК- излучений на ферментную систему молока;
3. Степень воздействия УФ- и ИК- излучений на витаминный состав молока;
4. Влияние УФ- и ИК- излучений на термоустойчивость молока;
5. Степень воздействия УФ- и ИК- излучений на сенсорные свойства молока;
6. Степень снижения микробиологической обсемененности молока под воздействием данных видов излучения.
УФ-излучение представляет собой процесс переноса электромагнитными колебаниями энергии от источника излучения в окружающее пространство. По современным физическим представлениям излучение обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
Спектр электромагнитного излучения (рис. 6), содержащий длины волн от 100 нм до 1-Ю6 нм, называется оптическим диапазоном.
Согласно рекомендациям Международной комиссии по освещению (МКО) оптический диапазон включает в себя следующие области:
Ультрафиолетовое излучение - УФ-С (200- 280 нм), УФ-В (280 -315 нм), УФ-А (315-г400 нм). Видимое (световое) излучение - 400-г780 нм. Инфракрасное излучение - ИК-А (780-И 400 нм), ИК-В (1400-гЗООО нм), ИК-С (3000-5-1 -106нм).
Границы между этими областями выбраны условно в соответствии с эффектом взаимодействия излучения и биологического объекта.
Максимальным бактерицидным действием обладает УФ-излучение в диапазоне длин волн 205-315 нм, которое проявляется в деструктивно-модифицирующих фотохимических повреждениях ДНК клеточного ядра микроорганизмов, что приводит к гибели микробной клетки в первом или последующем поколении.
Реакция живой микробной клетки на УФ-излучение неодинакова для различных длин волн. Зависимость спектральной бактерицидной эффективности 1(Л)отн от длины волны излучения X, нм приведена на рис. 7. Эту зависимость иногда называют спектром действия. В таблице 4 приведена зависимость бактерицидной эффективности в относительных единицах от длины волны 1бк (Л)
Установлено, что ход кривой относительной спектральной бактерицидной эффективности для различных видов микроорганизмов практически одинаков. Более чувствительны к воздействию УФ-излучения вирусы и бактерии (E.Coli, микрококки) в вегетативной форме. Наибольшей устойчивостью обладают споры бактерий. В качестве основной радиометрической (эффективной) величины, характеризующей бактерицидное излучение, является бактерицидный поток. Значение бактерицидного потока Фбк может быть вычислено с учётом относительной спектральной бактерицидной эффективности по формуле [12]: где 205н-315 - диапазон длин волн бактерицидного излучения, нм; Фе,х - значение спектральной плотности потока излучения, Вт/нм; S(A,)0T„ - значение относительной спектральной бактерицидной эффективности; ДА, - ширина спектральных интервалов суммирования, нм.
В этом выражении эффективный бактерицидный поток Фбк оценивается по его способности воздействовать на микроорганизмы. Бактерицидный поток измеряется в ваттах, так как S(A)omH является безразмерной величиной. При интегральном методе оценивается суммарное излучение в определенном спектральном диапазоне как для линейчатого, так для сплошного спектра.
При этом бактерицидный поток составляет определенную долю от энергетического потока Фе источника излучения в диапазоне длин волн 205-315 нм, падающего на биологический приемник, эффективно расходуемую на бактерицидное действие, т.е.: где Кбк - коэффициент эффективности бактерицидного действия излучения источника определенного спектрального состава, значение которого находится в пределах от 0 до 1.
Значение Кбк для ртутных ламп НД, максимум излучения которых сосредоточен в линии 253,7 нм, равно 0,85.
При облучении микроорганизмов наблюдается экспоненциальная зависимость между числом выживших микроорганизмов NB ОТ начального уровня No и значением дозы Hs.
Такой процесс при облучении поверхности аппроксимируется выражением
Разработка и изготовление экспериментального образца установки для обеззараживания молока УФ и ИК - излучением производительностью 200-1000л/ч
Аппараты с тонкослойным течением молока могут быть выполнены по различным схемам. В зависимости от расположения источника энергии и его формы различают вертикальное, наклонное и горизонтальное течение молока. Однако для ИК-пастеризатора конструктивно выгодно выполнить вертикальную поверхность, по которой стекает молоко, в виде гладкой трубы, на внутренней поверхности которой образуется динамическая пленка. Для подачи молока на рабочую поверхность трубы в зоне ее верхнего торца устанавливают приемно-распределительное устройство (рис. 11), чтобы молоко могло переливаться через край и равномерно стекать. Для преодоления влияния отклонений трубы от вертикали на образование пленки и гашения волн на поверхности молока в верхней части трубы устанавливают специальное устройство в виде вращающихся лопастей (2) либо оно может быть выполнено в виде цилиндра, коаксиально установленным на внешней стороне рабочего цилиндра в приемно-распределительном устройстве (рис. 12а).
Система термообработки (рис. 12 и 12а), благодаря универсальности рабочего процесса, позволяет использовать ее для многих технологических целей, связанных с нагревом жидкости. Основным достоинством данной системы - возможность кратковременной (1-2 с) термической обработки жидкого продукта. В рабочем органе установки происходит почти мгновенный нагрев всего поступающего в рабочее пространство молока. Это обеспечивает соответствие температур в процессе обработки и заданной технологией. В применяемых аппаратах аналогичного назначения неизбежен перегрев молока, так как только часть его соприкасается с греющей стенкой, а остальная масса подогревается за счет турбулизации. При этом происходит некоторый перегрев слоев - пристенного или обращенного к прозрачной стенке излучателя.
Применение УФ-излучений для обработки пищевых продуктов ограничено, поскольку воздействие их может вызывать нежелательные химические и биологические реакции. Вместе с тем можно привести примеры использования УФ-излучений с положительным эффектом. Прежде всего, это относится к способам бактерицидного воздействия. С помощью УФ-излучения осуществляют стерилизацию воды, идущей на технологические нужды (мойка плодов, тары, коммуникаций, по которым перекачивают продукт). При этом вода почти полностью очищается от вредных микроорганизмов, инфицирующих обрабатываемые продукты. Известны установки (закрытого и открытого типа) для обеззараживания воды УФ лучами в системе сельскохозяйственного водоснабжения. Источниками облучения в первом случае погруженные, во втором - размещены над поверхностью воды. В закрытых установках достигается максимальный эффект стерилизации за счет непосредственного соприкосновения ламп с водой.
Экспериментальный образец УФ излучателя закрытого типа для обработки молока и стерилизации технологического оборудования в непрерывном потоке тонкого слоя показан на рис. 10.
На рис. 10 показан УФ-облучатель в действующей технологической схеме пастеризации молока совместно с ИК-излучателем.
Особенностью излучателя является его компактность, многофункциональность и технологичность, позволяющая легко вписываться в существующие линии по переработке сельскохозяйственных пищевых продуктов. Особенность конструкции позволяет рассматривать один излучатель как отдельный модуль, а сама установка может состоять из одного или нескольких модулей, соединенных между собой последовательно, параллельно или комбинированно (рис. 13). Это позволяет увеличить длительность обработки продукта, которая может регулироваться также создаваемым напором на входе установки [72, 73].
Другой особенностью излучателя является обрабатываемый продукт, который находится в замкнутом рабочем объеме и не имеет свободной поверхности, характерной для других типов установок. Вследствие этого возможно снижение интенсивности окислительного процесса, проходящего на поверхности продукта.
На схеме (рис. 14) показан принцип действия установки для обработки молока УФ и ИК- излучением. В предлагаемой новой схеме, между рекуперативным теплообменником и ИК-пастеризатором, дополнительно установлен УФ-излучатель, собранный из одного или нескольких модулей для «нетепловой» обработки молока.
Молоко поступает на обработку в приемную емкость 3, где с помощью специального регулятора поддерживается его постоянный уровень. Из емкости 1 центробежным насосом 16 молоко прокачивается через теплообменник-рекуператор 14, где перед поступлением в рабочее пространство УФ-облуча-теля 4 оно встречным потоком обработанного продукта дополнительно подогревается (через разделительную стенку) и, пройдя тонким слоем через УФ -облучатель 4, подается в верхнюю часть рабочей поверхности ИК-облучателя 9, где нагревается ИК-излучением до заданной температуры, например, 72С. Затем насосом выдачи 12 молоко прокачивается через теплообменник-рекуператор 14, охлаждаясь в нем встречным потоком молока, поступающего на обработку. Клапан 2, в зависимости от температуры молока на выходе из рабочего пространства, направляет его в линию готового продукта или возвращает в приемную емкость 3 для повторной обработки. Установка содержит также исполнительное устройство, которое входит в состав системы управления исполнительными механизмами (клапаны, насосы), шкаф управления и персональный компьютер.
На входе в ИК- пастеризатор установлен калиброванный молочный вентиль, позволяющий устанавливать необходимый расход молока. На выходе из пастеризатора установлен термодатчик, регистрирующий температуру продукта и управляющий исполнительным механизмом трехходового клапана, который устанавливает его в положение «выдача» или «рециркуляция». Одновременно термодатчик вырабатывает аналоговый сигнал, который поступает на силовой блок управления уровнем мощности ИК-излучателя. На входе и выходе системы устанавливаются два молочных трехходовых крана (1 и 18). В зависимости от их положения работает линия обработки исходного продукта, либо линия по санитарной обработки технического оборудования моечным раствором (водой). В ряде случаев не требуется их установка из-за технологической специфики конкретного предприятия. Работа установки осуществляется в несколько этапов:
- предварительная промывка технологического оборудования водой и выход на режим пастеризации;
режим обработки УФ и ИК излучением молока; выход из режима пастеризации;
- промывка оборудования моечным раствором (водой).
Первые три этапа проводятся в непрерывном потоке. В начале работы клапан (1) переводят в положение «вода», клапан (18) в положение «дренаж». Происходит заполнение приемного бака водой, автоматическое поддержание уровня осуществляется поплавковым клапаном. Установку переводят в автоматический режим работы, система управления осуществляет контроль положением исполнительного механизма клапана (2) - «рециркуляция» или «выдача», и уровнем мощности ИК излучателя в зависимости от температуры. При запуске установки клапан (2) автоматически переводится в положение «рециркуляция».
После заполнения приемного бака водой, последовательно включают насос подачи (17) и выдачи (13) продукта, УФ и ИК излучатели. Происходит одновременный нагрев и стерилизация коммуникационной линии установки, протекающей водой. При достижении заданной температуры система управления переводит клапан (2) в положение «выдача», содержащаяся в системе вода начинает удаляться. После удаления большей части воды из приемного бака, клапан (1) переводят в положение «продукт». Когда исходный продукт полностью вытеснит воду из системы, клапан (18) переводят в положение «готовый продукт» и установка выходит на режим УФ и ИК обработки исходного жидкого пищевого продукта. После окончания обработки клапан (1) переводят в положение «вода», клапан (18) в положение «дренаж». Следует особо отметить, что переходные режимы «вода-продукт» и « продукт-вода», соответствующие первому-второму и второму-третьему этапу работы уста новки, должны проходить плавно, в противном случае возможно разрушения тонкого слоя на стенке пастеризационной камеры ИК излучателя и пригора-ние продукта. На этом этапе работу установки переводят в ручной режим, отключают ИК излучатель и промывают водой.
Результаты экспериментальных исследований при различных режимах обеззараживания молока УФ и ИК - излучением
Целью проведения испытаний являлась проверка основных теоретических положений, положенных в основу расчета установки для обработки жидких пищевых продуктов, ее работоспособности, определение энергетических параметров. Испытания и исследования проводились в лабораторном корпусе ГНУ ВИЭСХ и микробиологической лаборатории ГНУ ВНИМИ.
Комплект электропастеризационной установки состоит из следующих узлов (рис. 15): рабочего органа ИК- излучателя 8, рабочего органа УФ-излу-чателя 4,теплообменника 14, приемной емкости 3 с автоматическим регулированием уровня жидкости, насосов, установленных один для подачи и циркуляции в контуре пастеризатора сырого продукта 16, насос для перекачки и выдачи готового продукта 12, трехходового вентиля 2, соединенными между собой трубопроводами. Для моделирования процесса работы пастеризатора при изменяющихся условиях, связанных, как правило, с изменением температуры на входе установки, параллельно с основной емкостью 3 через трехходовой клапан установлена дополнительная емкость. Схема и места расположения точек замера температуры показаны на рис. 15. Автоматизированная система измерения и регистрации полученных данных, показанная на рис. 15, содержит следующие основные элементы: устройство контроля температуры ТРМ-151; датчики температуры - термоэлектрические преобразователи ДТ-ПЬ011-0.5/5 (хромель-копель); двухканальный измеритель-регулятор ТРМ-202; двухканальный измеритель-регулятор ТРМ-202 для измерения мощности (тока) излучателя; автоматический преобразователь интерфейсов АС4; блок питания БП 24V; персональный компьютер ПК; нормирующий резистор R1 , соединительные кабели. На рис. 15 показан общий вид экспериментального образца комбинированной установки обеззараживания молока УФ и ИК - излучением.
Работа комбинированной обработки молока обычно осуществляется в несколько этапов: предварительная промывка технологического оборудования водой и выход на режим обеззараживания; режим обработки молока УФ и ИК облучением; выход из режима обеззараживания; промывка технологического оборудования моечными и дезинфицирующими растворами.
Потребляемая установкой мощность - примерно, 12 кВт; напряжение сети - 380/220 В; регулировка температуры пастеризации - от 65 до 95С; производительность - 200-4000 л/ч.
Для реализации эффективного режима работы бактерицидных амальгамных ламп НД был применен ЭПРА.
Отличительными особенностями ЭПРА являются:
- повышение срока службы ламп за счет стабилизации мощности в широком диапазоне изменения питающего напряжения (180 - 250 В) и оптимизации режима розжига «мягкий» пуск;
- позволяют экономить электроэнергию до 30% по сравнению с электромагнитными аппаратами за счет высокого КПД не менее 0,9;
- имеют встроенный корректор мощности;
- обеспечивают отсутствие бросков коммутационных токов в силовой питающей цепи при включении аппаратов;
Для автоматизированного сбора и регистрации данных использовано программное обеспечение SCADA - система OWEN PROCESS MANAGER (ОРМ), предназначенное для связи ПК с приборами ТРМ -151 и ТРМ-202 через преобразователь интерфейса АС4.
Пастеризационная установка работает следующим образом. Сырой продукт закачивается в приемную емкость 3 до уровня, поддерживаемого автоматическим регулятором, далее из приемной емкости сырой продукт насосом 16 подается во входной контур теплообменника 14, откуда в подогретом состоянии направляется в рабочий орган УФ и ИК-обработки на пастеризацию. Из ИК-пастеризатора 8 готовый продукт насосом 12 подается в выходной контур теплообменника 14, где отдав тепло, через вентиль 2 подается на выдачу или обратно в приемную емкость 3.
Перед началом проведения испытаний заполняются водой основная и дополнительная емкость. Установка выводится на режим, при этом перекрыв выход вентилем 2, обрабатываемая жидкость перекачивается по замкнутой системе: приемная емкость 3 - теплообменник 14 - ИК-пастеризатор -приемная емкость.
Экспериментальные исследования электропастеризационной установки проводились двумя сериями опытов.
Первая серия опытов проводилась при постоянном расходе воды G = 970 л/ч и максимальной мощности излучателя. При этом осуществляли замеры температуры жидкости в четырех точках; на входе в установку tl; на входе в ИК-излучатель t2; на выходе из ИК-излучателя t3; на выходе теплообменника t4; силы тока излучателя. Измерения непрерывно проводились в диапазоне температур 20С t3 95С на выходе излучателя. На рис. 16 приведена схема экспериментального стенда для исследования параметров УФ- и ИК- пастеризатора.
По данным измерений были определены следующие показатели:
1. Нагрев жидкости ИК- излучением, A 1ц,
2. Температурный перепад на входе в теплообменник, AtBx;
3. Температурный перепад на выходе из теплообменника, AtBbix;
4. Перепад температуры продукта на выходе и входе установки. Определение степени нагрева жидкости ИК-излучателем - нагрев жидкости в ИК-устройстве: где с - теплоемкость жидкости, дж/кг С, W- расход воды, м3/сек.
В существующих конструкциях пастеризаторов нагрев продукта производят при температурах 65 , 72, 85, 92 С. В соответствии с этим осуществляем выборку и расчет указанных параметров At и QH в диапазоне 65-95 С.
Вторая серия опытов проводилась при постоянном расходе воды W= 1000 л/ч и максимальной мощности излучателя. Осуществляли замеры температуры жидкости в четырех точках; на входе в установку tl; на входе в ИК-излучатель t2; на выходе из ИК-излучателя t3; на выходе теплообменника t4; силы тока излучателя. При этом на вход установки через приемный бак подавался продукт с входной температурой 15-16,5С, измерения непрерывно проводились до момента, когда в системе наступало термодинамическое равновесие, температура на выходе излучателя достигала предельное установившееся значение. Результаты измерений приведены в табл. 11.
Если задана температура пастеризации продукта, то по приведенному соотношению можно определить температуру на входе пастеризатора, при которой производительность установки соответствует номинальному значению. Так при температуре пастеризации 85С, значение входной температуры должно составлять порядка 36С. Если температура окажется ниже указанного значения, то для достижения заданной температуры пастеризации, система управления возвращает продукт на доработку (рециркуляцию) до достижения заданного значения. На графике, показанном на рис. 17, приведены температурные интервалы, при которых установка переходит в режим рециркуляции для разных температур от 65 до 95 С. Точки 1-2, 3-4, 5 на графике (рис. 17) соответствуют режиму рециркуляции для температур 72 , 85 и 95С. Для температуры 65С установка работает в прямоточном режиме.
Таким образом, исходя из результатов экспериментальных исследований, можно сделать следующие выводы:
- электропастеризационная установка для обработки жидких пищевых продуктов вполне работоспособна и обеспечивает температуру пастеризации продукта в зависимости от технологических требований до 95С;
- методика расчета мощности излучателя при принятых допущениях с достаточной степенью точности описывает реальный объект.
- по своим техническим параметрам ее применение наиболее целесообразно непосредственно на фермах, как для первичной обработки молока, так и для более глубокой обработки, при этом работа установки происходит при номинальной производительности и мощности.
