Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Массоперенос в электромагнитном поле сверхвысокой частоты и характеристики поля СВЧ
1.1. Массоперенос в капилярно-пористом теле при воздействии СВЧ-источника 10
1.2. Характеристики электромагнитного поля СВЧ 20
ГЛАВА 2. Комбикорма, как объект воздействия ЭМИ СВЧ
2.1. Применение СВЧ-метода для обеззараживания комбикормов 29
2.2. Диэлектрические характеристики пшеницы, кукурузы, риса в диапазоне волн 0,3-10 ГГц 35
2.3. Теплофизические свойства пшеницы, кукурузы, риса 43
ГЛАВА 3. Использование техники СВЧ для сушки и обеззараживания зерновых культур и комбикормов
3.1. Описание конструкций СВЧ-сушилок 49
3.2. Анализ применения техники СВЧ и выводы 56
ГЛАВА 4. Математическое описание процесса нагревания слоя комбикорма СВЧ-источником
4.1. Постановка задачи и кинетика нагревания слоя комбикорма 58
4.2. Анализ полученных уравнений 65
ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование процесса нагревания и обеззараживания комбикорма в поле СВЧ-источника
5.1. Задачи исследования 68
5.2. Описание экспериментальной установки 69
5.3. Методика проведения экспериментов и их обсуждение 75
5.4 Микологические исследования по определению эффективности использования СВЧ для обеззараживания комбикормов от токсигенных грибов 82
5.5. Опытные данные по обеззараживанию грибковой микрофлоры комбикорма в поле СВЧ и их анализ 84
5.6. Разработка СВЧ-установки для обеззараживания комбикормов 88
5.7. Методика расчета СВЧ-установки непрерывного действия для обеззараживания комбикормов 92
Выводы 95
Приложение 98
Список использованной литературы 99
- Массоперенос в капилярно-пористом теле при воздействии СВЧ-источника
- Диэлектрические характеристики пшеницы, кукурузы, риса в диапазоне волн 0,3-10 ГГц
- Микологические исследования по определению эффективности использования СВЧ для обеззараживания комбикормов от токсигенных грибов
- Методика расчета СВЧ-установки непрерывного действия для обеззараживания комбикормов
Введение к работе
Анализ производственных ситуаций на животноводческих фермах и комплексах, на птицефабриках показывает, что большинство болезней животных и птицы обусловлено недоброкачественностью кормов, наличием в них патогенной микрофлоры [1,2].
В рационе питания животных и птицы в условиях их массового содержания главенствующее место занимают комбикорма. Поэтому обеспечение качества комбикормов имеет большое народнохозяйственное значение и играет решающую роль в повышении рентабельности животноводства и птицеводства.
Комбикорма представляют собой многокомпонентные смеси, состоящие из сыпучих, жидких и пластических компонентов.
Состав и питательность комбикормов зависят от их назначения и определяются рецептами [3, 4, 5]. Комбикормовые смеси составляются на основе научных данных о кормлении животных и птицы. Качество комбикормов регламентируется государственными стандартами и техническими условиями. В государственных стандартах предъявляются высокие требования к ветеринарно-санитарному состоянию комбикормов.
Бактериальная обсемененность комбикормов значительно снижает его качество и ограничивает использование, вызывает падеж сельскохо- зяйственных животных и птицы. При обсемененности комбикормов в них содержатся микробные клетки, бактерии паратифозной группы -сальмонелл, энеропатогенные штаммы кишечной палочки, анаэробы.
Существенное место среди незаразных заболеваний животных и птицы занимают микотоксикозы. Эти отравления возникают при кормлении животных и птицы кормами, пораженными токсическими микроскопическими грибами Fusarium sporotrichioides - 63, Fusarium graminearum - 62, Aspergillus ochraceus - 132429 - продуцентами токсинов T-2, Ф-2, охратоксина А. [3,4].
Для обеззараживания комбикормов, и повышения их питательной ценности применяются различные методы. Широко распространены методы влаготепловой обработки (варка, запаривание и др.), которые наряду с обеззараживанием решают задачу деструкции высокомолекулярных соединений, в частности крахмала и перевода их в усвояемую форму. Однако методы влаготермической обработки вызывают значительное снижение содержания каротина, витаминов и других пищевых компонентов.
В связи с этим, для обеззараживания комбикормов в последнее время значительное внимание уделяется поиску новых способов, среди которых следует указать на использование электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ), обработку комбикормов ионизирующим излучением, химическими препаратами, хранение их в ней- тральных газовых средах и др.
Среди перечисленных выше методов наибольший интерес представляет и является перспективным метод обеззараживания патогенной микрофлоры комбикормов путем обработки их в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (СВЧ).
Актуальность поставленной в настоящей работе задачи, заключается в разработке метода и оборудования для обеззараживания комбикормов в поле СВЧ источника, вскармливаемых птице и сельскохозяйственным животным.
Цель работы заключается в разработке метода обеззараживания комбикормов в поле СВЧ-энергии и конструкции СВЧ-установки для этой цели.
Научная новизна работы заключается в том, что: разработан метод обеззараживания комбикормов в поле СВЧ-энергии: разработано математическое описание кинетики нагревания и распределения температур в слое комбикормов в поле СВЧ-энергии; математическое описание процесса подтверждено экспериментально, на опытной установке.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на Международной научно-методической конференции «Медико- биологические проблемы экологической безопасности агропромышленного комплекса» в 1996 г., г. Сергиев Посад; на Всероссийском семинаре «Процессы и аппараты пищевых производств» в Российской экономической академии им. Г.П. Плеханова в 1997-1998 г.г.; на заседаниях кафедры «Процессы и аппараты пищевых производств» МГЗИПП 1997-1998 г.г.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения и списка используемой литературы.
Первая глава содержит основные положения кинетики массопере-носа в твердом теле в электростатическом поле СВЧ и характеристики этого ПОЛЯ.
На основании рассмотрения характеристик поля СВЧ определен путь аналитического и экспериментального исследования в настоящей работе.
Во второй главе комбикорма рассмотрены как объекты воздействия поля СВЧ. Приведены данные по диэлектрическим характеристикам компонентов, теплофизическим и массопроводным свойствам.
Третья глава посвящена изложению использования техники СВЧ для сушки и обеззараживания комбикормов. Приводятся описания и конструкции установок и их критический анализ.
Показано, что перспективным направлением использования СВЧ-энергии является кратковременная обработка зерна и комбикормов с целью их обеззараживания, а также для интенсификации конвективной сушки в атмосферных условиях.
В четвертой главе приводится математическое описание процесса нагревания слоя комбикорма СВЧ-источником. Полученные уравнения позволяют вычислить продолжительность воздействия СВЧ-источника для нагревания материала до заданной температуры.
В пятой главе изложены экспериментальные исследования нагревания комбикорма в поле СВЧ-источника.
Получены температурные кривые нагревания при различной вводимой в слой мощности облучения. Определена продолжительность облучения слоя. Показана адекватность полученного в четвертой главе математического описания реальному процессу.
Приведены результаты ветеринарно-санитарного анализа комбикормов после облучения их СВЧ-источником.
Изложена методика расчета СВЧ-установки и конструкторские разработки промышленной установки.
Работа выполнена на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» Московской Государственной Технологической Академии.
Структура работы и схема проведения исследований
Изучение научно-технической литературы
Цели и задачи исследования
Аналитическая часть
Экспериментальная часть
Разработка математического описания процесса нагревания слоя
Разработка очистной установки
Изучение процесса нагревания слоя комбикорма
Разработка и расчет полупромышленной установки непрерывного действия
Микологические исследования
Адекватность математического описания желаемого результата
Массоперенос в капилярно-пористом теле при воздействии СВЧ-источника
Для тел неправильной геометрической формы уравнение (1.7) должно быть дополнено параметрическими критериями Г\, Г2 [11].
Для расчета кинетики нагрева материалов с известными теплофи-зическими свойствами и заданным в процессе обработки изменением температуры процесса А.Н. Плановским и СП. Рудобаштой разработаны методы расчета на базе уравнения теплопроводности. Однако, аналогия, наблюдаемая между уравнениями Фурье и массопроводности, носит формальный характер. Различный характер линий F0 = const (рис. 1.2.) указывает на принципиальное различие зависимости коэффициентов температуропроводности а от t и массопроводности К от X. Кривые F0n = const как раз и отражают зависимость К = f(X).
Общим решением уравнения (1.7) для тел неправильной геометрической формы и неограниченного потока будет /л,п- корни характеристического уравнения. Располагая данными по массопроводности в капиллярно пористых телах, можно из уравнения (1.8) определить продолжительность сушки в /-м интервале изменения влажностей, где Kf = const: где JU; и Pj- коэффициенты, зависящие от формы поверхности тела на у -м направлении и величины в і-м интервале изменения влажности. Общее время нагревания в заданных пределах изменения влажности определяется в виде п которое будет соответствовать продолжительности нагрева только в периодическом и непрерывном аппарате идеального вытеснения. Переход к расчету продолжительности нагрева связан с изучением всей совокупности гидродинамических характеристик процесса: гидродинамического режима, продольного и поперечного перемешивания, структуры потоков. Переход к расчету продолжительности нагрева связан с изучением всей совокупности гидродинамических характеристик процесса: гидродинамического режима, продольного и поперечного перемешивания, структуры потоков. На практике часто для определения продолжительности нагревания пользуются экспериментальными кривыми кинетики и скорости нагревания либо приближенными кинетическими уравнениями. По кинетическим уравнениям рассчитывают основные размеры аппаратов. Основная величина, определяющая размеры периодически действующих аппаратов, - продолжительность нагревания, а непрерывно действующих - требуемая площадь поверхности контакта фаз и продолжительность нагревания материала. 1.2. Характеристики электромагнитного поля СВЧ Первые работы по использованию токов ВЧ для сушки были выполнены Н.С. Селюгиным в Ленинградском филиале ЦНИИ механической обработки древесины. В 50-ые годы были проведены работы в различных организациях по применению токов высокой частоты для сушки и обжарки ряда пищевых продуктов: сахара-рафинада, бобов какао, арахиса, кунжута и других продуктов. Следует отметить работы Гинзбурга А.С, Ауэрмана Л.Я., Жуховицкого Б.Я.. Тарутиным П.П. проводились работы по сушке и дезинфекции зерна в поле СВЧ. Исследования тепломассообмена в электрическом поле высокой частоты были проведены Роговым И.А. и Некрутманом СВ. в МТИМ-МПе [14,15], Красниковым В.В. с Ильясовым С.Г. [16], Федоровым H.E.. Максимовым, Пахомовым В.И. в МТИППе [13, 17], Рудобаштой СП. в МГАУ им. Горячкина В.П.. В последние годы находит все большее применение нагревание материалов (сушка) в поле сверх высокой частоты СВЧ. Поле СВЧ характеризуется диапазоном длин волн (0,1 - 0,01) и частотой 3000 - 30000 МГц [18]. Разрешенными для применения в технике являются следующие частоты 915, 2450, 5800 МГц. При дальнейшем уменьшении длины волн меньше 0,01м и увеличении частоты колебаний наступает область инфракрасного излучения. Высокочастотный нагрев материалов основан на явлении поляризации. При этом имеют место три вида поляризации - электронная, ионная и дипольная под воздействием внешнего электрического поля СВЧ. В диэлектриках колебания молекул связаны с трением частиц между собой. В результате трения в массе материала выделяется теплота, за счет энергии затраченной на поляризацию диэлектрика. При высокочастотном нагревании происходит интенсивное выделение теплоты в небольшом объеме материала. За счет электрических потерь в диэлектрике полный ток смещения в цепи 1СМ опережает напряжение Е на угол 8. При этом вектор тока смещения 1СМ сдвигается по отношению к вектору напряжения is на угол р, что характеризует отставание поляризации от напряженности поля (рис. 1.3).
Диэлектрические характеристики пшеницы, кукурузы, риса в диапазоне волн 0,3-10 ГГц
Комбикорма, как было указано выше, представляют собой многокомпонентные смеси, состав, и питательная ценность которых определяется их назначением и зависит от региона производства и применения.
Основными компонентами комбикормов являются злаковые культуры: пшеница, содержание которой составляет от 25 до 45%, кукуруза - до 60%, ячмень - до 50% [5].
Возможность угнетения биообъектов электротехническими методами известно с конца 20-х годов. Однако эти методы долгое время не находили применения и только с конца 60-х начала 70-х годов интерес к ним резко возрос, что объясняется созданием мощных источников СВЧ-энергии [13, 19-31].
Бактерицидное действие ЭМП СВЧ проявляется в снижении жизнедеятельности и гибели микроорганизмов. Достоинством метода является значительная глубина проникновения ЭМП СВЧ в слой материала, что обеспечивает высокую производительность установки и значительный эффект обеззараживания. При СВЧ-воздействии электромагнитного поля на биообъект происходит как прямое его воздействие, в результате чего наблюдаются различные биологические явления называемые нетепловыми, так и непосредственный разогрев биообъекта, приводящий к повышению температуры биообъекта и, в конечном счете, к денатурации белка.
В настоящее время нет единого мнения о причине угнетения биообъекта под воздействием ЭМП СВЧ. Одни исследователи считают ее тепловой, другие - нетепловой.
По нашему мнению происходит наложение друг на друга тепловых и нетепловых эффектов, что в конечном итоге вызывает летальный исход биообъекта. При разогреве биообъекта выше температуры денатурации белка и при соответствующей выдержке при этой температуре летальный эффект вызван тепловым механизмом воздействия. При температурах ниже температуры денатурации белка и при достаточных дозах облучения «работают» нетепловые механизмы. При этом повышение температуры биообъекта выше нормальной создает ту неблагоприятную среду для биообъекта, которая стимулирует его угнетение. Поэтому и в этом случае наблюдается корреляция между температурным эффектом и степенью угнетения биообъекта.
Исследования по использованию ЭМП СВЧ для угнетения и уничтожения микроорганизмов проводились рядом авторов [32 - 42]. Следует отметить трудность обобщения результатов этих исследований, что объясняется различиями в видах микроорганизмов, методиках экспериментов, типах установок СВЧ и рабочих частотах ЭМП свч.
В работе [43] показано, что микроволновая обработка (преподго-товка) изделий мясных рубленых натуральных в течение 2 мин. уменьшает на 46 - 67% содержание мутагенных гетероциклических ароматических анилов в конечном продукте за счет удаления из мясной ткани в ходе преподготовки определенной части предшественников гетероциклических ароматических анилов.
При изучении процесса СВЧ-обеззараживания комбикормов было установлено в работе [13], что обработка комбикормов влажностью 12 15% в течение 7 10 мин. в печи "Электроника" приводит к пол ной гибели грибов, а количество бактерий снижается лишь на 20 28%. При этом нагрев комбикорма выше 150С приводит к существенному снижению органолептических показателей продукта и обугливанию. Отмечается также некоторая, хотя и несущественная тенденция к увеличению эффекта СВЧ-обеззараживания при повышении влажности комбикорма до 26%. Изучалось влияние исходной влажности комбикорма (в диапазоне 12 84% ) и конечной температуры нагрева (в интервале 60 130С) на степень обеззараживания комбикормов в ЭМП СВЧ. СВЧ-обработку, как и в предыдущей работе, проводили в СВЧ-печи «Электроника», воздействию подвергался комбикорм с начальной обсемененностью микроорганизмами 9,3 мкг/кг комбикорма. Степень обеззараживания оценивали по общей обсемененности микроорганизмами согласно методике, описанной в [з], В результате проведенных исследований установлено, что с увеличением исходной влажности комбикормов снижается температура летальности комбикормов и соотношению время обработки. Полное обеззараживание комбикормов при влажности 66% наступает при их обработке в течение 21 мин., при этом достигается температура 150С, а при влажности 84% - при времени 14,5 мин. (конечная температура составляет 120С). Отмечается также, что при СВЧ-обработке значительно снижается нежелательные физико-химические изменения комбикормов, присущие традиционному способу термообработки. Сопоставление результатов экспериментов по СВЧ-нагреву и нагреву комбикорма традиционным тепловым способом при одинаковых дозах поглощенной энергии позволило сделать вывод о большей скорости обеззараживания комбикорма в первом случае по сравнению со вторым, что является следствием большей мощности подводимой энергии. Согласно [35] мощность СВЧ-нагрева в 5-8 раз превышает мощность нагрева традиционным способом и это по мнению авторов объясняет «специфический» эффект биологического действия ЭМП СВЧ.
Микологические исследования по определению эффективности использования СВЧ для обеззараживания комбикормов от токсигенных грибов
Для СВЧ-обеззараживания комбикорма в установке смонтирован стандартный СВЧ-блок мощностью 0,6 кВт (выходная мощность 0,5 кВт), работающий на частоте 2450 МГц. Он установлен вертикально, при этом рупорный излучатель размером 150x180 мм направлен вниз -на слой обрабатываемого материала. Крепление СВЧ-блока на установке осуществлено таким образом, чтобы он мог откидываться, при этом открывается доступ к поверхности слоя обрабатываемого материала. Это позволяет на стадии его остывания устанавливать на поверхность образца измерительный преобразователь тепломера и термопару для измерения удельного теплового потока и температуры у поверхности образца. Управление СВЧ-источником осуществляется блоком управления 3, который обеспечивает заданный автоматический режим обработки.
Высота слоя комбикорма, подвергшегося СВЧ-воздействию в опыте составляла 13 см. Размер образца, который подвергается СВЧ-воздействию, выбран таким образом, чтобы исключить краевые эффекты и обеспечить точность измерения, и кроме того, чтобы вся СВЧ-энергия была поглощена образцом.
С целью обеспечения дополнительной безопасности при работе на опытной установке предусмотрен выносной пульт, позволяющий включать и выключать установку и следить по индикаторам за автоматическим включением и отключением СВЧ-блока. Пульт устанавливается в соседнем с установкой помещении.
На стадии нагрева СВЧ-блок работает в периодическом режиме, что обеспечивается блоком управления и автоматической схемой. В процессе СВЧ-нагрева регистрировали текущие значения температур слоя на двух фиксированных глубинах (температуру и удельный тепловой поток у поверхности слоя на стадии нагрева не измеряли).
Периодический режим работы СВЧ-блока позволяет производить регистрацию температур по глубине слоя в паузы между рабочими циклами СВЧ-генератора. Длительность рабочего цикла СВЧ-блока и паузы составляли соответственно 1 мин. и 30 секунд. Схема автоматизации установки позволяла при необходимости регулировать длительность рабочего цикла и паузы. Периодический режим работы предотвращает выход из строя термопар и самого СВЧ-блока во время рабочего цикла и позволяет точнее измерить температуру в слое материала.
Время облучения задавали в соответствии с программой эксперимента равное г =1 мин; 2 мин. и 4 мин. По окончании стадии нагревания комбикорма СВЧ-блок выключали. В период паузы, с помощью термопар, введенных в слой, контролировали температуру слоя на стадии остывания. СВЧ-блок, закрепленный на измерительной ячейке шарнирно, откидывали. У поверхности слоя устанавливали термопару и измерительный преобразователь тепломера. После чего осуществляли измерение температур в трех точках слоя, одна из которых находилась на его поверхности, а также измеряли тепловой поток у поверхности слоя.
Опыты с экспозицией облучения равной т = 4 мин. проводили многократно, варьируя режим. В первом варианте щдгцд ч э илйай ця/ поверхность слоя на стадии остывания теплоизолировали с тем, чтобы максимально продлить тепловой эффект обеззараживания на стадии остывания и оценить его относительное влияние. Во втором варианте, на оборот, по окончании стадии СВЧ-нагрева комбикорм быстро вынимали из ячейки, рассыпали тонким слоем и принудительно охлаждали с помощью вентилятора.уС целыо сключить стадию остывания из эффекта обеззараживания. В третьем варианте происходило естественное остывание слоя с теплоотдачей через верхнюю открытую поверхность слоя. При этом измеряли температуру и плотность теплового потока в соответствии с описанной выше методикой.
Кривые нагревания слоя комбикорма при различной продолжительности облучения СВЧ-источником приведены на рис. 5.3. При продолжительности облучения - 60 сек. слой комбикорма на глубине 0,03 м прогревается только до 41 С, а на глубине 0,07 - до 26 С, что является недостаточной для обеззараживания. При продолжительности облучения 120 сек. температура на глубине 0,03 м составляет уже 82 - 86 С, а на глубине 0,07 м - 68 С в зависимости от влажности образца. Оптимальным временем следует считать 240 сек. При такой экспозиции температура слоя комбикорма на глубине 0,03 м достигает 100-120 С, а на глубине 0,07 м - 104 С (рис. 5.3).
Как видно из приведенных графиков температуры слоя определяются продолжительностью облучения и возникают с ее увелечением. Повышение мощности СВЧ-источника позволяет снизить продолжительность облучения.
Методика расчета СВЧ-установки непрерывного действия для обеззараживания комбикормов
На рис. 5.7 приведены кривые нагревания комбикорма на движущейся ленте транспортера. Как видно из рис. 5.7 температура в слое комбикорма, соответствующая обеззараживанию, достигается за 60 - 90 сек. пребывания комбикорма в зоне облучения, что соответствует скорости движения ленты, равной 0,013 - 0,009 м/с. Такая скорость обеспечивает производительность установки равную 2312 - 1537 кг/ч.
Между производительностью аппарата и его рабочим объемом существует определенная связь. Производительность аппарата GT (кг/час), связана с количеством комбикорма и скоростью передвижения ленты транспортера соотношением где fCJl - площадь поперечного сечения слоя комбикорма на ленте транспортера, м , fCJl = b-hCJl; hCJl - высота слоя, м; Ь - ширина ленты, м; рн - насыпная плотность комбикорма, кг/м3;
Исследован метод обеззараживания комбикормов и злаковых культур в поле СВЧ. В аппаратах с СВЧ-источником в 5-10 раз увеличивается интенсивность процесса сушки. Процесс идет при невысоких температурах, значительно снижается зараженность комбикормов и зерна вредителями и патогенной микрофлорой, в результате получается экологически чистый продукт.
Перспективным направлением использования СВЧ-энергии для обеззараживания и интенсификации конвективной сушки является кратковременная тепловая обработка комбикормов и зерна. При воздействии электромагнитных полей СВЧ диапазона на биообъект происходит как прямое взаимодействие, в результате чего проявляются различные биологические явления как нетепловые, так и непосредственный разогрев биообъекта, приводящий к денатурации белка.
Изучена кинетика нагревания слоя комбикорма при воздействии СВЧ-источника. Разработанные модель и математическое описание процесса нагревания слоя комбикорма и зерна СВЧ-источником позволяют рассчитать температуру в слое и продолжительность нагревания слоя. Чем меньше продолжительность облучения, коэффициенты экс-тинкции и температуропроводность, тем точнее выполняются условия локальной адиабатичности. С увеличением вводимой мощности сокращается продолжительность нагревания слоя до заданной температуры. Теплопроводность комбикормов и злаковых культур существенно влияет только при продолжительных временах облучения, что имеет место при малых мощностях СВЧ-источника. 4. В результате экспериментального исследования кинетики нагревания на опытной установке получены зависимости температуры слоя комбикорма от экспозиции облучения СВЧ-источника. 5. Полученное математическое описание процессов соответствует экспериментальным данным. 6. Микологические исследования по определению эффективности СВЧ-источника для обеззараживания комбикормов от токсигенных грибов показали, что почти полное (94-96%) обеззараживание достигается при экспозиции обработки, равной 3-4 мин., при естественном остывании, что соответствует температуре слоя 80-120 С. Падение температуры на стадии остывания комбикорма происходит значительно медленнее, чем ее рост при нагревании. При этом аккумулирование в слое тепловой энергии способствует процессу обеззараживания. 7. Выполнен ветеринарно-санитарный анализ комбикормов и получено заключение ВНИИВЕТЭ об эффективности использования СВЧ-источника для обеззараживания комбикормов, которая составила в различных пробах от 87,5% до 100%. 8. Показано, что при естественном охлаждении обработанного образца комбикорма эффективность обеззараживания увеличивается на 12,5%. 9.Разработана установка непрерывного действия для обеззараживания комбикормов в СВЧ-поле, предложена методика расчета ее производительности.
