Введение к работе
Актуальность работы. В 2008 году промышленное производство яиц в России составило 28,6 млрд. штук, из них на жидкую переработку ушло 0,6 млрд. штук, на сухую - 1,5 млрд. штук. Производство куриных яиц в мире устойчиво увеличивается, при этом 4...6 % занимают некондиционные яйца (с низкой массой, с поврежденной скорлупой и нарушенной подскорлупной оболочкой, бой - при транспортировке). Выявлено, что при обработке яиц в птицеводческих хозяйствах наиболее рентабельным (67…72 %) является производство меланжа (пастеризованной яичной массы), однако его удельный вес в общей выручке от реализации яиц и яйцепродуктов – менее одного процента. Потребность в жидких яйцепродуктах составляет 132 тыс. тонн в год, из которых отечественные производители покрывают лишь 19 процентов. В Чувашской республике из некондиционных яиц производят только сухой яичный порошок, в объеме 150…200 кг в сутки, при энергетических затратах 1,42 Втч/г.
Рост производства меланжа в России сдерживается высокой энергоемкостью существующих систем пастеризации яичной массы. В настоящее время это процесс осуществляется при температуре 63…66 С в специальных теплообменниках под высоким давлением, при высоких энергетических затратах. Сложность заключается в технической реализации процесса пастеризации яичной массы, по причине коагуляции белка при температуре выше 42 С.
Использование источников ультрафиолетового (УФ) излучения не обеспечивает необходимый уровень общего микробного числа (ОМЧ), так как стерилизуется только поверхность, а микроорганизмы, покрытые тонким внешним слоем, не прозрачным для УФ излучения, остаются жизнеспособными.
Поэтому разработка СВЧ установок для обработки яиц, позволяющих снизить потери продукции и энергетические затраты, является актуальной научной задачей.
Целью настоящей работы является разработка СВЧ установок для обработки яиц, обеспечивающих снижение энергетических затрат.
Основные научные задачи:
- разработать методику циклического воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты, обеспечивающую снижение энергетических затрат при обработке яиц;
- обосновать конструктивно-технологические параметры СВЧ установок для обработки яиц (производительность, удельную мощность и скорость нагрева сырья, значение напряженности электрического поля, удельные энергетические затраты);
- разработать, изготовить и испытать в производственных условиях СВЧ установки для обработки яиц;
- оценить технико-экономическую эффективность внедрения СВЧ установок для пастеризации яичной массы и варки яиц без воды.
Научная концепция решаемой задачи. На основе теории диэлектрического нагрева, а также учитывая объективно существующие закономерности кинетики процесса эндогенного нагрева сырья, решена научно-техническая задача – разработка СВЧ установок, обеспечивающих эффективные теплообменные процессы для получения вареного яйца и подавление жизнедеятельности вегетативных форм микроорганизмов в яичной массе за счет многократного циклического воздействия электромагнитных излучений.
Объектом исследования являются СВЧ установки для обработки яиц.
Научную новизну результатов исследования представляют:
- методика расчета и аналитические зависимости, позволяющие обосновать параметры СВЧ установки с дополнительной резонаторной камерой, обеспечивающей низкотемпературную пастеризацию яичной массы при сниженных энергетических затратах, за счет многократного циклического воздействия ЭМП высокой напряженности СВЧ диапазона, УФ лучей и охлаждения;
- методика расчета и аналитические зависимости для обоснования и реализации эффективных режимов функционирования многомодульной СВЧ установки туннельного типа для варки яиц без воды, обеспечивающей увеличение производительности и снижение энергетических затрат, путем регулирования скорости эндогенного нагрева в каждом объемном резонаторе и охлаждения;
- эффективные конструктивные параметры и режимы работы изготовленных СВЧ установок (патенты №2365323, №2371075, заявка на изобретение № 2010143035 - Способ и установка для низкотемпературной пастеризации жидких продуктов).
Достоверность основных положений и выводов подтверждена:
- экспериментальными исследованиями процесса обработки яиц и положительными результатами испытаний СВЧ установок в производственных условиях;
- протоколами лабораторий Федерального государственного учреждения здравоохранения «Центр гигиены и эпидемиологии в Чувашской Республике - Чувашия», Государственного учреждения «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Госветслужбы Чувашии и Федерального государственного учреждения «Чувашский центр стандартизации, метрологии и сертификации».
Практическую значимость представляют разработанные, изготовленные и испытанные в производственных условиях СВЧ установки для пастеризации яичной массы при низкой температуре; варки яиц без воды при сниженных энергетических затратах.
Научные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:
1. Методика расчета и аналитические зависимости, позволяющие обосновать параметры СВЧ установки с дополнительной резонаторной камерой, обеспечивающей низкотемпературную пастеризацию яичной массы при сниженных энергетических затратах, за счет многократного циклического воздействия ЭМП высокой напряженности СВЧ диапазона, УФ лучей и охлаждения.
2. Методика расчета и аналитические зависимости для обоснования и реализации эффективных режимов функционирования многомодульной СВЧ установки туннельного типа для варки яиц без воды, обеспечивающей увеличение производительности и снижение энергетических затрат, путем регулирования скорости эндогенного нагрева в каждом объемном резонаторе и охлаждения.
3. Разработанные, изготовленные и испытанные в производственных условиях СВЧ установки для обработки яиц, рабочие режимы и комплекс конструктивно-технологических параметров, обеспечивающие проведение низкотемпературной пастеризации яичной массы и варку яиц без воды.
Методы исследования. Исследования проводились с использованием теорий: диэлектрического нагрева, теплообменных процессов, дифференциального и интегрального исчисления, а также графо-аналитических методов. При экспериментальных исследованиях применялся метод активного планирования трехфакторного эксперимента типа 23. Обработка экспериментальных данных выполнена с использованием компьютерных программ.
Реализация результатов исследований. Разработка СВЧ установок для обработки яиц проводилась в соответствии с планом НИОКР ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА». В рамках тематического плана Министерства сельского хозяйства РФ по разделу «Био - нанотехнологий» (2008…2010 г.г.) по теме: «Интенсификация с.-х. технологических процессов воздействием электромагнитных излучений» разработано техническое задание. На основе гранта президента РФ для государственной поддержки молодых Российских ученых и их научных руководителей № МД- 5128. 2008. 08, а также гранта общероссийской общественной организации «Российское аграрное движение - РАД» изготовлены три СВЧ установки для обработки яиц. Исследования процесса обработки яиц осуществлялись в лаборатории «Электронанотехнология» ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА». Производственные испытания СВЧ установок для обработки яиц проводились в ГУП ЧР «Птицефабрика «Моргаушская», ООО «Чебоксарская макаронно-кондитерская фабрика «Вавилон». Результаты научных исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», ГОУ ВПО «Марийский ГУ», ФГОУ ВПО «Казанский ГАУ», ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский ГАУ».
Апробация результатов исследования. Материалы диссертации доложены и обсуждены:
на всероссийских научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА» (2006…2010 г.г.);
на международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства», ГОУ ВПО «Марийский ГУ», Йошкар-Ола (2006…2009 г.г.);
на всероссийском смотре-конкурсе на лучшую научную работу по направлению «Агроинженерия», ФГОУ ВПО «МГАУ им. В.П. Горячкина», 2006 г.;
на всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых вузов по номинации «Технические науки», ФГОУ ВПО «Казанский ГАУ», 2008 г.;
на расширенном заседании отделов и лабораторий ГНУ ВИЭСХ, Москва, 26.05.2010 г.
Установки демонстрировались на III всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Роль молодых ученых в реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК» (ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», Чебоксары, 22.03.2007г.); на республиканской научно-практической конференции «Наука в развитии села» (ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», Чебоксары, 10.02.2009 г.).
Результаты диссертационных исследований были отмечены дипломами:
за участие в третьем туре всероссийского смотра-конкурса на лучшую научную работу по направлению «Агроинженерия» (МСХ РФ, Департамент научно-технологической политики и образования, 2006 г.);
за участие во втором этапе всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых вузов по Приволжскому федеральному округу по номинации «Технические науки» (ФГОУ ВПО «Казанский ГАУ», 2008 г.);
за второе место в республиканском конкурсе среди молодежи «Лучший бизнес-план инновационного проекта по созданию продуктов био - и наноиндустрии» (Министерство промышленности и энергетики Чувашской республики, 2008 г.);
лауреата конкурса «Лучший инновационный проект в сфере АПК», (РАД, 14.04.2010 г.);
за третье место во втором туре всероссийского конкурса научных работ аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального округа по номинации «Технические науки» (ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 20.04.2010 г.).
Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 17 печатных работах, в том числе: в одной работе, опубликованной в ведущем журнале, рекомендованном ВАК, и двух патентах № 2365323, № 2371075.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 144 наименований, 12 приложений. Общий объем диссертации составляет 231 страницы, в том числе на 178 страницах изложен основной текст с 73 рисунками и 24 таблицами.
