Летаев, Сергей Алексеевич. Обоснование параметров установки обеззараживания молока на фермах ультрафиолетовым и инфракрасным излучением

Краткое описание

Летаев, Сергей Алексеевич. Обоснование параметров установки обеззараживания молока на фермах ультрафиолетовым и инфракрасным излучением : диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.02 / Летаев Сергей Алексеевич; [Место защиты: Всерос. науч.-исслед. ин-т электирификации сельс. хоз-ва].- Москва, 2012.- 145 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/3952

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК (РАСХН)
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИЭСХ)
На правах рукописи
OU.01 2 6 0 9 7 0 "
Летаев Сергей Алексеевич
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ
МОЛОКА НА ФЕРМАХ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ И ИНФРАКРАСНЫМ
ИЗЛУЧЕНИЕМ
Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в
сельском хозяйстве
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: Кандидат технических наук Малышев В. В.
Москва, 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список основных обозначений и сокращений, использованных в работе. 4 ВВЕДЕНИЕ 6
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКАИ
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 - ОБЕЗЗАРАЖИВА-НИЯ 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
з
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
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ,
ИСПОЛЬЗОВАННЫХ В РАБОТЕ.
ОИ - оптическое излучение;
ИК - инфракрасный;
УФ - ультрафиолетовый;
СВЧ - сверхвысокочастотный
СОМО - сухой обезжиренный остаток молока;
А; Е; Bi; В2; В6; В[2; С, D3 - витамины;
°Т - градус Тернера, титруемая кислотность; pH - величина кислотности;
СИ - система единиц;
УВТ - ультравысокотемпературная обработка;
X - длина волны ОИ
ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота;
АТФ - аденозинтрифосфат;
КПД - коэффициент полезного действия;
НМ - нанометры;
ЭПРА - электронный пускорегулирующий аппарат;
РЛ НД - ртутная лампа низкого давления;
ФЭУ - фотоэлектрический умножитель;
ОУ - облучательные установки;
ОБУ - облучательная бактерицидная установка;
МПК - международная патентная классификация (международная классифи-кация изобретений);
НТИ - научно-техническая информация;
УДК - универсальная десятичная классификация;
Обозначение стран и организаций:
ЕР - Европейское патентное ведомство
РСТ - Международная заявка; WO - Опубликованная международная заявка
AU - Австралия
CA - Канада
CH - Швейцария
DE - Германия
DK - Дания
FR - Франция
GB - Великобритания
IE - Израиль
IN - Индия
JP - Япония
KR - Южная Корея
MY - Малайзия
RU - Российская Федерация
US - США
Введение
Молочная промышленность в настоящее время является высокораз-витой отраслью народного хозяйства, оснащенной современным оборудо-ванием. Широко внедряются новые способы обработки и переработки мо-лока, интенсификации и автоматизации процессов, непрерывные методы производства молочных продуктов.
В России 70-80 лет назад основными отраслями переработки молока было маслоделие и частично сыроделие. В настоящее время выделились самостоятельные отрасли молочной промышленности: маслодельная, сыро¬дельная, молочноконсервная, производство молочных продуктов(питьевое молоко, сливки, кисломолочные продукты, мороженое), детских молочных продуктов, заменителей цельного молока и др.
Давно сложившаяся традиционная технология молочных продуктов претерпела значительные изменения в процессе интенсификации и механиза¬ции производства. Для этого потребовалось проведение глубоких исследова¬ний влияния различных факторов, технологических параметров на изменение компонентов молока, формирование товарных свойств молочных продуктов.
Важнейшей составляющей поддержания здоровья нации является так¬же дальнейшее развитие системы лечебно-профилактического питания для населения России и в первую очередь для детей. В ряду основополагающих компонентов сбалансированного лечебного питания исключительное место по своей полезности среди продуктов животного происхождения занимает молоко. Это обусловлено благоприятным природным соотношением входя¬щих в состав молочного белка аминокислот, особыми свойствами молочного сахара, витаминным и минеральным составом молока.
Развитие молочного производства определяет необходимость разра-ботки и внедрения новых, нетрадиционных технологий эффективной бакте¬рицидной обработки молока для максимального сохранения в нем биологиче¬ски ценных веществ и его органолептических качеств. Эти факторы наиболее
значимы при приготовлении молочных продуктов детского и лечебно-профи¬лактического питания. В настоящее время более, чем в 20-ти технологиче¬ских процессах сельскохозяйственного производства используется УФ-излу- чение. Это установки обеззараживания питьевой воды и питательных раство¬ров для гидропонного выращивания зеленных овощей, животноводческих стоков, для стерилизации посуды и тары, транспортных молочных емкостей, для обеззараживания воздуха в овощехранилищах, для обработки семян и т.п.
Одной из таких нетрадиционных технологий может стать, после все-стороннего исследования, нетепловая обработка молока, которая основана на использовании бактерицидных свойств УФ- излучения. Кроме того, при об¬лучении молока УФ- излучением определенного спектра, в нем интенсивно происходит синтез витаминов группы D, который в значительной степени предотвращает развитие рахита у детей. Работы в этой области ведутся давно и считаются перспективными.
Комбинированная обработка молока с помощью УФ- и ИК- излучений является относительно новым процессом, исследованию которого посвящена данная работа.
Тепловые парогенераторные установки и, возможно, пригорание моло¬ка приводят к денатурализации белка, частичному разрушению витаминов, выпадению в осадок минеральных солей. Нагревание молока выше 70 °С инактивирует основные ферменты, участвующие в пищеварительных процес¬сах.
Второй способ тепловой обработки основан на лучистом нагреве с по-мощью ИК источников ОИ. В данном случае в значительной мере снимается проблема пригорання молока, отпадает необходимость в парогенераторных установках.
Известен и применяется по литературным данным в ряде стран метод пастеризации с помощью УФ-излучения («Актинизация») [17]. Основные преимущества его в малом (2-3 с) времени обработки молока, малой девита-минизации и, более того, в увеличении содержания витамина D в молоке. Однако, при дозах УФ-излучения обеспечивающих 99% обеззараживания, наблюдается изменение вкуса молока; оно приобретает слабый привкус па¬стеризованного молока. Таким образом, ни один из применяемых способов пастеризации ОИ не обеспечивает 100% сохраняемости вкусовых качеств мо¬лока.
Учитывая, что процесс обеззараживания молока обеспечивается в ши¬роком интервале температур (для РЖ от 65° до 95 °С и нормируемой дозы УФ-облучения 16 мДж/см2), представляется целесообразным совместить оба вида излучения в данном технологическом процессе. Следует также под¬черкнуть, что, исходя из современных представлений и появления новых бак¬терицидных амальгамных ртутных ламп НД, возможности УФ-излучения для пастеризации молока ещё не в полной мере изучены. УФ бактерицидная лам¬па - искусственный источник ОИ, в спектре которого имеется преимуще¬ственно УФ бактерицидное излучение в диапазоне длин волн 200 - 280 нм с А.макс = 253,7 нм и ртуть находится в связанном состоянии в виде амальгамы (висмут, свинец, ртуть). Появление в настоящее время безозонных бактери¬цидных ламп НД мощностью 100 - 300 Вт, изготавливаемых на московском НПО «ЛИТ», позволило вновь вернуться к исследованию данной проблемы. Данная работа посвящена использованию УФ-облучения молока в составе ИК-пастеризатора.
Исследование воздействия УФ и ИК-излучений на микробный, вита-минный и аминокислотный состав молока является обязательным этапом для разработки и совершенствования оборудования для УФ и ИК-обработки мо¬лока. 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 про¬мышленности) «Разработать нанотехнологии воздействия электромагнитных волн в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах на биологически ак¬тивные вещества молока» в течение 2008-2009 годов.
Исследования по обработке молока УФ и ИК- излучением потребовали использования достижений современной науки и техники (светотехники, ми¬кробиологии, технологии обработки молока и других), поэтому они проводи¬лись в содружестве с несколькими научными учреждениями и организация¬ми: ВНИМИ, НПО «ЛИТ» и др.
Применение новейших достижений при проектировании и изготовле-нии электротехнического оборудования для пастеризации молока, в химии и физике молока, раскрытие сущности физико-химических и биохимических процессов производства молочных продуктов, являются основой создания новых видов продуктов, повышения их питательной и биологической ценно¬сти, стойкости при хранении, способствует прогрессу в молочной промыш¬ленности.
Целью работы является научное обоснование параметров установки воздействия УФ и ИК-излучения на свойства молока, режимов обработки мо¬лока УФ и ИК - излучением для уменьшения бактериальной обсемененности до 3-Ю5 КОЕ/см3 и снижения расхода электрической энергии на обеззаражи¬вание молока.
Основные научные задачи работы;
1. Провести аналитический обзор отечественной и зарубежной ли-тературы по пастеризаторам молока и по оценке воздействия электромагнит¬ных излучений в УФ и ИК - диапазонах на свойства молочного продукта.
2. Разработать методику и метод энергосбережения при комбиниро¬ванном обеззараживании молока УФ и ИК-излучением, направленные на снижение потребления электрической энергии и получение молока первого сорта.
3. Провести экспериментально-теоретические исследования пара-метров устройства УФ - обеззараживания молока.
4. Разработать исходные требования и определить технологические показатели установки для обработки молока УФ и ИК - излучениями (сниже¬ние обсемененности молока на один порядок и температуры нагрева до
72°С).
5. Провести производственные испытания экспериментального образца комбинированного УФ и ИК- пастеризатора молока и технико-экономиче¬скую оценку эффективности применения установки обеззараживания молока УФ и ИК-излучением.
Объектом исследования является экспериментальный образец комби¬нированного УФ и ИК- пастеризатора молока, технические средства УФ- об¬лучения, технологические мероприятия и молоко.
Предмет исследования: технологические линии обработки молока, ко¬торые основаны на использовании бактерицидных свойств УФ- излучения совместно с ИК- пастеризатором.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
1. Теоретическими и экспериментальными исследованиями обосно¬ваны эффективные режимы и параметры обеззараживания молока устрой¬ством УФ- облучения (нормированная доза облучения - 16 мДж/см2, коэффи¬циент поглощения молока - 0,37...0,47 см'1, бактерицидный поток - 49 Вт, облученность - 8,1 Вт/м2, слой обрабатываемого молока - до 0,75см, время обработки - менее 2 с, снижена температура пастеризации молока до 72°С).
2. Разработаны методы расчета параметров используемой безозон¬ной амальгамной бактерицидной лампы НД мощностью 145 Вт для устрой¬ства УФ-обработки молока.
3. Предложен комбинированный способ обеззараживания молока УФ и ИК- излучениями; получено молоко 1-го сорта (снижена обсеменен- ность до 3-Ю5 КОЕ/см3 при температуре 72 °С).
4. Разработаны рекомендации и исходные требования на установку комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК-излучением.
5. Определена экономическая эффективность установки комбиниро¬ванной пастеризации молока УФ и ИК- излучением в 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 мощно¬стью 145 Вт для установок комбинированного обеззараживания молока УФ и РЖ- излучением с минимально возможной толщиной слоя молока до 0,75 см.
2. Методика расчета и выбора эффективных технологических парамет¬ров устройства для УФ - обработки молока (коэффициента поглощения моло¬ка а = 0,37-0,47 см'1, бактерицидного потока излучения - 49 Вт, бактерицид¬ной облученности - 8,1 Вт/м2, нормированной дозы облучения - 16 мДж/см2, времени обработки - менее 2с), позволяющего снизить затраты электроэнер¬гии на 30% и обсемененность молока до 3-Ю5 КОЕ/см3.
3. Результаты производственных испытаний с технико-экономической оценкой эффективности установки обеззараживания молока УФ и РЖ- излу-чением.
Практическая значимость исследования:
- снижены затраты электроэнергии и получены молочные продукты с заданными свойствами при интегральной обработке молока УФ и РЖ- излу¬чением;
- разработано устройство обеззараживания молока УФ - излучением для использования в комбинированном режиме облучения с РЖ- пастериза¬тором, позволяющее снизить обсемененность до 3-Ю5 КОЕ/см3 при темпера¬туре 72°С;
-разработаны исходные требования на установку обеззараживания мо¬лока УФ и РЖ - излучением производительностью до 1000 л/час;
- годовой экономический эффект от реализации результатов рабо¬ты составляет 81590 рублей для молочной фермы на 400 коров.
Апробация результатов исследования:
Основные положения и результаты диссертационной работы использо¬ваны при подготовке отчетов по контракту № 1280/13 от 02 сентября 2008 года с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации (Депар¬тамент пищевой и молочной промышленности) в 2009 году; доложены и одо¬брены на 7-й Международной научно-технической конференции «Энерго¬обеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (18 - 19 мая 2010 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ).
Публикации;
Основные положения и результаты диссертации изложены в 8 печат-ных работах, в том числе в трех работах в издании, указанном в Перечне ве¬дущих журналов и изданий ВАК Минобразования и науки РФ.
Структура и объем диссертации;
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих вы¬водов по работе, списка литературы и приложений. Работа изложена на 110 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.

Список литературы

Общие выводы
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Предлагаемая технологическая установка обеззараживания молока УФ и ИК- излучениями эффективна, экологически безопасна и универсальна для обработки жидкостей с различными физико-химическими и биологическими свойствами.
2. На основании проведенных исследований и данных, полученных при определении микробиологических параметров обработанного молока можно рекомендовать для дополнительной обработки молока источники УФ-излуче- ния мощностью 145 Вт производства Московского НПО «ЛИТ».
3. Для обеззараживания молока при его пастеризации необходимо прини¬мать нормируемую дозу облучения 16 мДж/см2 и обеспечивать слой обраба¬тываемого молока до 0,75 см.
4. Предлагаемый способ комбинированного обеззараживания молока УФ и ИК облучением позволяет упростить процесс обработки молока при од¬новременном повышении его качества вследствие образования витамина D3, снизить время пастеризации до нескольких секунд и экономить до 30% элек¬троэнергии.
5. Производственные испытания показали технико-экономическую эф-фективность разработанной установки при комбинированном способе обез-зараживания молока УФ и ИК -излучениями: в опытном варианте снижается обсемененность молока на один порядок; снижаются энергозатраты на 30%; годовой экономический эффект (без учета наценки за технологический эф¬фект вследствие образования витамина D3) составляет 81590 рублей. При¬менение установки типа ПМ-01-М для обеззараживания молока в фермер¬ских хозяйствах позволит окупить капитальные вложения в течение 4-х лет.