ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ СВЧ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА НА

Свежевыдоенное охлажденное до 4± 2 оС молоко распределяли на 6 вариантов, в трехкратной повторности. Два варианта не пастеризовали, два пастеризовали по традиционной схеме в кратковременном режиме и еще два варианта подвергали к обеззараживанию с помощью разработанной СВЧ установки, между секциями рекупирации тепла. Все шесть вариантов хранили при соответствующих температурах 5 и 10 оС. Микробиологические исследования проб молока проводили согласно ГОСТ52054-2003. Результаты микробиологического анализа показали, что продолжительность хранения молока увеличивается с 42 до 66 часов, при температуре хранения 5 оС, если в процессе традиционной пастеризации между секциями рекупирации его обеззараживать в электрическом поле высокой напряженности СВЧ диапазона (рис. 7). Бактериальная обсемененность не превысила допустимую норму для молока первого сорта 500 тыс. КОЕ/см3.

Исследования динамики нагрева молока в электрическом поле высокой напряженности сверхвысокочастотного диапазона показывают (рис. 8), что повышение его температуры нагрева с 45 до 61°С (между секциями рекуперации) можно достичь за 8…20 с, в зависимости от удельной мощности генератора 8…1,6 Вт/г, соответственно. С увеличением жирности молока с 2,5 до 6 % скорость его нагрева увеличивается на 1…4 °С. Исследования, проведенные на молоке (рис. 9), содержащем в исходном состоянии ОМЧ, равное 1,045 млн. КОЕ/см3. показывают, что при превышении температуры эндогенного нагрева молока на 20 °С за 20…23 с, при удельной мощности 10 Вт/г, содержание ОМЧ снизится до 500 тыс. КОЕ/см3. Снижение ОМЧ при превышении температуры эндогенного нагрева описывается выражением

, КОЕ/см3. (10)

Получены эмпирические выражения продолжительности воздействия ЭМП СВЧ в зависимости от необходимого превышения температуры молока при удельной мощности: 4 Вт/г - , с;

10 Вт/г - , с;

16 Вт/г - ,с. (11)

Микробиологические и биохимические исследования проб молока осуществляли в ГУ «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Госветслужбы Чувашии. По основным показателям биохимического анализа проб молока отклонения не отмечены и находились они в пределах ошибки опыта. За счет циклического воздействия электромагнитного поля высокой напряженности СВЧ диапазона происходило подавление жизнедеятельности микроорганизмов в молоке. Пользуясь методикой активного планирования трехфакторного эксперимента и программой «Statistic V5.0», построены поверхности откликов и их двумерные сечения в изолиниях моделей. Получены модели изменения ОМЧ в молоке, производительности установки, скорости нагрева молока в зависимости от варьируемых параметров (удельной мощности генератора и общей продолжительности воздействия электрического поля высокой напряженности СВЧ диапазона), при плотности молока 1027 кг/м3 (рис. 10).

.

Полученные эмпирические выражения (10, 11, 12) позволяют оптимизировать удельную мощность генератора и продолжительность процесса обеззараживания молока. Эмпирические выражения моделей:

ОМЧ = 345135,18 – 282191 руд – 47726,6 + 10827,15 р2уд + 428,18 2 +173,65 руд , КОЕ/см3; (10)

Т/ = - 0,037 + 0,062899 руд - 0,008318 – 0,000483 р2уд + 0,000145 2

+ 0,000278 руд , °С/с; (11)

Q = 773,69 - 57,68 руд - 33,22 + 1,41 р2уд + 0,412 + 1,03 руд , кг/ч, (12)

где руд – удельная мощность, Вт/г; – продолжительность воздействия, с.

Оценка результатов исследований ОМЧ в молоке с помощью критериев Кохрена, Фишера и Стьюдента показала, что результаты воспроизводимы, а полученные математические модели процесса обеззараживания молока значимы. Из анализа модели вытекает, что снижение ОМЧ в молоке с 1,2106 КОЕ/см3 до 500 тыс. КОЕ/см3 происходит при удельной мощности 8…10 Вт/г и общей продолжительности эндогенного нагрева 20…16 с, соответственно. Экспериментальные значения ОМЧ (рис. 10) с достаточной доверительной вероятностью коррелируются с теоретическими значениями (формула 9). Например, для снижения ОМЧ в молоке с 1,0106 до 0,5106 КОЕ/см3, при производительности установки 100 кг/ч, необходимо обеспечить повышение температуры эндогенного нагрева молока на 15…16 оС.

В пятой главе «Оценка эффективности применения СВЧ установки в технологической линии производства пастеризованного молока» представлены методика и расчет технико-экономического обоснования результатов исследований. На молочно- товарной ферме Федерального государственного унитарного предприятия учебно-опытного хозяйства «Приволжское» Чебоксарского района Чувашской Республики суточный удой коров составляет 4…5 т, годовой объем производство пастеризованного молока - 336 тонн. Экономический эффект от применения установки для СВЧ обеззараживания молока в технологической линии пастеризации, производительностью 1 т/ч составит 97440 руб./год, рентабельность - 67,44%, срок окупаемости – 1,11 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработанная методика воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты на молоко в процессе пастеризации позволяет улучшить микробиологические показатели и увеличить срок хранения на 24 часа, при температуре 4±2 оС за счет применения четырех резонаторных камер, обеспечивающих напряженность электрического поля 14 кВ/см.

2. Полученные аналитические зависимости и разработанный алгоритм с программным решением позволили обосновать комплекс конструктивно-технологических параметров системы и реализовать режим, обеспечивающий снижение бактериальной обсемененности молока. Установлено, что в резонаторе объемом 2000 см3 достигается напряженность электрического поля 14 кВ/см, обеспечивающая повышение температуры эндогенного нагрева молока на 4 оС, при которой происходит выравнивание поглощенной мощности микроорганизмом и теряемой за счет теплопередачи с его поверхности. Равномерный эндогенный нагрев молока обеспечивается со скоростью 1,0…1,2 оС/с, если удельная мощность СВЧ генератора составляет 8…10 Вт/г, а внутренний диаметр радиопрозрачного молокопровода - до 3,0 см.

3. В результате производственных испытаний установки для СВЧ обеззараживания молока, производительностью 100…240 кг/ч и потребляемой мощностью 4,8 кВт в составе теплообменного аппарата, работающего в кратковременном режиме пастеризации, выявлено снижение бактериальной обсемененности в молоке с 1,2106 до 0,5106 КОЕ/см3. При этом повышение температуры эндогенного нагрева молока между двумя секциями рекуперации составило 15…16 оС.

4. Экономический эффект от применения системы СВЧ обеззараживания молока составляет в среднем 97440 руб./год за счет повышения его цены реализации с улучшенными микробиологическими показателями. При объеме обрабатываемой продукции 336 т/год рентабельность повысится на 2%.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

– в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Пономарев А.Н. Поточная диатермическая установка для обеззараживания молока /Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев //Механизация и электрификация сельского хозяйства. – М.: 2010, № 6. – С. 14…15.

2. Пономарев А.Н. Обеззараживание молока /Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев // Сельский механизатор. – М.: 2010., № 5. – С. 23, 25.

3. Пономарев А.Н. Установка для сверхвысокочастотного обеззараживания молока /А.Н. Пономарев, Г.В. Новикова //Вестник ФГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева». – Чебоксары: 2011, № 2 (70). – С. 123…127.

4. Пономарев А.Н. Зависимость мощности потерь СВЧ энергии от напряженности электрического поля /А.Н. Пономарев, М.В. Белова //Вестник ФГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева». – Чебоксары: 2011, № 2 (70). – С. 119…122.

5. Пономарев А.Н. Обеззараживание молока в электромагнитном поле сверхвысокой частоты /Н.К. Кириллов, Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев // Монография. – Чебоксары: ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА», 2011. – 184 с.

– в сборниках научных трудов вузов:

6. Пономарев А.Н. Обеззараживание молока /Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев //Материалы 12 международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». – Йошкар-Ола: ГОУ ВПО «Марийский ГУ», 2010. – С. 309…310.

7. Пономарев А.Н. Динамика нагрева молока в электромагнитном поле сверхвысокой частоты /А.Н. Пономарев, А.Н. Федорова //Материалы 12 международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства». – Йошкар-Ола: ГОУ ВПО «Марийский ГУ», 2010. – С. 310…311.

8. Пономарев А.Н. Анализ электропастеризаторов молока /Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев //Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК». – Саратов: «Саратовский ГАУ им. Вавилова», 2010. – С. 266…267.

9. Пономарев А.Н. Установка для обеззараживания жидких продуктов /А.Н. Пономарев, А.Н. Федорова //Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК». – Саратов: «Саратовский ГАУ им. Вавилова», 2010. – С. 263…266.

10. Пономарев А.Н. Диатермическая установка для обеззараживания потока молока /Г.В. Новикова, А.Н. Пономарев //Материалы международной научной конференции, посвященной 80-летию Вятской ГС