Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач народного хозяйства Российской Федерации является повышение эффективности производства пищевых продуктов высокого качества. С этой задачей непосредственно связана проблема увеличения сроков хранения продовольственной продукции и сельскохозяйственного сырья без ухудшения их пищевой ценности. В связи с этим встает вопрос о повышении эффективности существующих и разработке новых технологий и оборудования для пастеризации и стерилизации пищевых продуктов и сред.
Применение электромагнитной энергии сверхвысокой частоты для уничтожения микрофлоры дает возможность решить важную научно-практическую проблему создания высокоэффективной, ресурсосберегающей технологии и, на ее основе, оборудования.
Использование микроволновых пастеризаторов позволит, в комплексе с другим оборудованием, осуществить переработку сырья в местах сбора урожая, исключить большие капитальные затраты на строительство котельных, парогенераторов, снизить энергопотребление за счет сокращения подготовительных периодов, уменьшить производственные площади, значительно понизить бой стеклянной посуды, вторично использовать продукт из разбившихся бутылок. Снижение времени обработки при микроволновом методе приводит к сохранению качественных характеристик готовых продуктов, их вкуса и аромата. Вследствие значительного уменьшения пригара в проточных микроволновых пастеризаторах улучшаются их эксплуатационные параметры и качество продукта.
Изложенное позволяет сделать вывод об актуальности темы диссертационной работы, которая является обобщением резуль-
татов, полученных при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых по планам МГАПП. комплексной программе "Продовольствие", программам Министерства науки и технической политики РФ, инновационной НТП "Пищевые продукты". В этих работах автор был ответственным исполнителем или руководителем.
Цель и задачи исследовании. Целью работы является совершенствование технологических процессов и оборудования для пастеризации пищевых продуктов при использовании микроволнового энергоподвода на основе научно обоснованных методов расчета рациональных режимов и конструктивных параметров электродинамических систем пастеритронов. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
разработать методику исследования и установить основные особенности и закономерности микроволновой инактивации микрофлоры пищевых продуктов и сред;
определить характеристики процесса уничтожения микроорганизмов и изменение показателей качества продовольственной продукции при СВЧ-пастеризации;
установить закономерности электродинамических процессов в волноводных системах сложного поперечного сечения, частично заполненных слоистым диэлектриком;
провести комплексное исследование процессов теплообмена жидких пищевых продуктов в потоке и таре при микроволновом нагреве;
разработать инженерные методы расчета технологических режимов и конструктивных параметров оборудования для пастеризации;
-создать комплекс установок для'микроволновой пастеризации продуктов жидкой группы.
- 5 -Концепция и научные положения. Единой концепцией при решении этих задач было повышение эффективности процесса пастеризации и технологического оборудования путем применения микроволновой энергии на базе закономерностей, описывающих кинетику инактивации микроорганизмов в ЭМП СВЧ, электродинамику волноводных систем, частично заполненных слоистым диэлектриком, особенностей теплообмена жидких пищевых продуктов при СВЧ-энергоподводе. Формой реализации предложенной концепции явились научные положения, защищаемые в диссертации:
обоснование методов исследования инактивации микроорганизмов и принципов описания кинетики процессов пастеризации и изменения характеристик качества пищевых продуктов при воздействии ЭМП СВЧ;
обоснование методов аналитического расчета электродинамических характеристик волноводов сложного сечения со слоистым диэлектриком;
обоснование принципов теоретического описания процесса диссипации СВЧ-энергии в ЭДС различного поперечного сечения волноводдого типа;
обоснование методов комплексного исследования нестационарной двухмерной задачи теплообмена жидких пищевых продуктов в диэлектрической таре при СВЧ-энергоподводе в волноводной ЭДС;
обоснование комплекса методов исследования теплопереноса в проточных микроволновых системах;
обоснование комплекса методов расчета рациональных режимов микроволновой пастеризации и конструктивных параметров пастеритронов.
Научная новизна диссертационной работы выражается в следующем:
развиты представления о механизме инактивации микрофлоры в ЭМП СВЧ на основе разработанной математической модели процесса сверхвысокочастотного нагрева клеточной структуры;
предложен и научно обоснован метод определения характеристик процесса СВЧ-пастеризации для различных продуктов, показана взаимосвязь между режимами инактивации микроорганизмов и качественными характеристиками сред:
при решении внутренней краевой задачи электродинамики для технологических камер волноводного типа получено обобщенное дисперсионное уравнение, позволяющее определить продольные и поперечные волновые числа, для различных режимов пастеризации и видов обрабатываемых продуктов:
на базе обобщенного дисперсионного уравнения выведены аналитические зависимости, необходимые для расчета электродинамических и конструктивных'Характеристик волноводных систем пастеризации;
получено аналитическое описание процесса диссипации СВЧ-энергии в диэлектрических слоях волноводных систем сложного поперечного сечения, установлены закономерности, определяющие затухание ЭМВ в пищевых продуктах, обрабатываемых в ЭДС пастеритронов;
развиты научные основы теории теплообмена при микроволновом энергоподводе, получены численные решения, дающие возможность рассчитать нестационарные температурные поля в слоистых телах различной формы;
разработан комплексный метод расчета температур при микроволновой пастеризации жидкостей в проточных волноводных системах с диэлектрическими трубами;
предложена и реализована научно-обоснованная методика расчета технологических режимов СВЧ-пастеризации при сохране-
ний заданных значений качества продукции;
- теоретически и экспериментально обоснованы и практически
реализованы возможности создания высокоэффективных микро
волновых пастеризаторов разных типоразмеров и назначений
на основе волноводных систем различного сечения с частич
ным заполнением слоистым диэлектриком.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработан комплекс оборудования для экспериментального исследования выживаемости микроорганизмов, изменения качественного состава, температурных полей в жидких пищевых продуктах при СВЧ-энергоподводе (а. с. 521882, а. с. 557634);
получен обширный экспериментальный материал, на основе которого рассчитаны параметры микроволновой инактивации микроорганизмов и характеристики изменения качественного состава соков и.напитков, пива, вин. виноматериалов и других пищевых продуктов, а также данные, подтверждающие результаты теоретических исследований и адекватность предложенных математических моделей;
разработаны комплексные научно-обоснованные инженерные методики расчета рациональных технологических.режимов микроволновой и комбинированной пастеризации, обеспечивающих сохранение заданных значений характеристик качественного состава продуктов;
на основе проведенных теоретических исследований разработаны комплексные инженерные методики по расчету конструктивных параметров электродинамических систем пастеризаторов различного назначения;
определены рациональные режимы микроволновой и комбинированной пастеризации соков и напитков, пива, вин, виноматериалов и других продуктов жидкой группы (а.с,856209);
разработан и утвержден в ГКО "Росвиноградиром" опытно-промышленный регламент на пастеризацию шампанских вин в СВЧ-пастеризаторе МС-814;
разработана конструкторская документация на СВЧ-пастериза-тор модульного типа и СВЧ-пастеризатор для термообработки шампанских вин в бутылках МС-814;
разработана конструкторская документация, изготовлены и испытаны образцы оборудования: на Московском экспериментальном заводе шампанских вин - универсальный микроволновой пастеризатор для жидких пищевых продуктов (а.с. 521883) и СВЧ-пастеризатор шампанских вин в бутылках, на Аджарском комбинате консервной промышленности и Губкинском пивзаводе - проточный микроволновой пастеризатор для пива, соков и напитков, на Батумском винном заводе - микроволновой пастеризатор виноматериалов и питательных сред.
Апробация. Научные положения диссертации и результаты выполненных исследований докладывались на научных конференциях МГАПП (МТИШ1) с 1975 по 1991 г.г.; Всесоюзной научно-технической конференции по вопросам теории и практики стерилизации и пастеризации пищевых продуктов, Одесса, 1975; Научно-технической конференции "Применение СВЧ-энергетики в народном хозяйстве для исследовательских целей и интенсификации технологических процессов", Саратов, 1975; Научном семинаре "Теория и практика применения электрофизических методов в пищевых отраслях промышленности" (МТИММП). Москва, 1975; Семинаре "Новые физические методы обработки пищевых продуктов". Севастополь, 1978; Шестой Всесоюзной научно-технической конференции "Электрофизические методы обработки пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья", Москва, 1989; Шестом Всесоюзном совещании по электрической обработке
материалов", Кишинев, 1990; YI Всесоюзной научно-практической конференции "Применение СВЧ-энергии в технологических процессах и научных исследованиях", Саратов, 1991; Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование технологических процессов производства новых видов пищевых продуктов и добавок. Использование вторичного сырья пищевых ресурсов", Киев, 1991; Научно-техническом семинаре института пищевой промышленности, Г.Пловдив (Болгария), 1980; Научных конференциях Национального института легкой промышленности,
Г.Бумердес (Алжир).1984- -1987 Г. Г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 научных работ, в том числе - 6 брошюр, учебное пособие, методическое указание, лабораторный практикум, 33 статьи, 12 тезисов докладов и 4 авторских свидетельства на изобретения.
Структура и объем диссертации. Защищаемая диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы - 366 источников и приложений. Основной текст, изложенный на 342 машинописных страницах, проиллюстрирован 78 рисунками и дополнен 17 таблицами.