WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 |

«БАБЕНКО МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА В ПОЛЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.18.12 - ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ...»

-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

БАБЕНКО МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА

В ПОЛЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.18.12 - ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Антипов С.Т.

Воронеж

СОДЕРЖАНИЕ

Введение Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии пастеризации молока 1.1. Анализ процесса пастеризации 1.2. Анализ существующих способов пастеризации 1.3. Краткий обзор оборудования для тепловой обработки молока 1.3.1. Пастеризаторы с ИК воздействием на молоко 1.3.2. Источники ИК излучения 1.4. Патентная проработка 1.5. Исследование основных закономерностей воздействия инфракрасного излучения на молоко 1.6. Формулирование идеи и обоснование технического решения 1.7. Цель и задачи исследования Глава 2. Исследование свойств молока как объекта ИК пастеризации 2.1. Методика и результаты исследования плотности и вязкости молока 2.2. Исследование гидродинамики и выбор оптимальной формы для пленочного ИК излучателя 2.3. Методика изучения спектральных характеристик молока в инфракрасной области спектра Выводы по главе Глава 3. Экспериментальное исследование процесса ИК пастеризации молока для жидких пищевых продуктов 3.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения эксперимента 3.



2. Многофакторный статистический анализ процесса пастеризации молока 3.2.1. Обоснование выбора и пределов изменения входных факторов 3.2.2. Выбор оптимальных решений задачи ИК пастеризации молока 3.2.3. Исследование процесса ИК пастеризации молока Выводы по главе Глава 4. Математическое моделирование процесса пастеризации молока 4.1. Постановка задачи 4.2. Программа, моделирующая процесс пастеризации 4.3. Анализ результатов моделирования процесса теплообмена пастеризатора Выводы по главе Глава 5. Комплексная оценка качества молока Глава 6. Практическое применение результатов научных и проектно-технических решений 6.1. Организация машинной технологии переработки молока 6.2. Разработка высокоинтенсивного пастеризатора для жидких 6.3. Разработка способа автоматического управления процессом пастеризации молока с использованием ИК нагревательных

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с положениями Стратегии национальной безопасности продовольственной безопасности является обеспечение населения страны безопасной сельскохозяйственной продукцией, рыбной и иной продукцией и продовольствием. Гарантией ее достижения является стабильность внутреннего производства, а также наличие необходимых резервов и запасов [103].

В областной целевой программе «Развитие сельского хозяйства Воронежской области на 2013-2020 годы» особое место отведено развитию молочного скотоводства [84]. Мероприятиями Программы предусмотрен рост производства продуктов животноводства, в том числе: увеличение производства молока и молочной продукции - до 859,2 тыс. т., из них питьевого молока до 403,0 тыс. т., что должно привести к увеличению потребления молока и молочных продуктов на душу населения с 254 до кг. Согласно принятой Доктрине продовольственной безопасности РФ, доля отечественного производства молока должна быть доведена до 90 % [104].

По объему производства молока на 2013 год Россия занимает четвертое место в мире, после Индии, США и Китая (рис. 1.1). По итогам 2010 года производство молока в стране хозяйствами всех категорий снизилось относительно уровня 2009 года более чем на 2% и составило 31, млн. тонн.

По данным Российской академии медицинских наук, человеку необходимо потреблять в год 392 кг молока и молочных продуктов. По этому показателю, в России 1990г. эта величина составляла 386 кг. Сегодня эта цифра значительно ниже. Так, в 2010 г. россияне потребляли менее 254 кг молочной продукции на человека, т. е. на 33 % меньше необходимой нормы.

Более чем 40% спад потребления произошел за два десятилетия за счет сложного периода РФ (рис. 1.2). В те годы (1990-2010гг.), реальный спад производства обогнал спад потребления, тем самым стимулировав производителей использовать импортное сырье. Однако, ближе к 2000г.

падение прекратилось и в настоящее время наблюдается положительная динамика по увеличению, как производства, так и потребления.

Рис. 1.1 - Производство молока и молочных продуктов Рис. 1.2 - Потребление молока и молочных продуктов в расчете на 1 человека Увеличение потребления молока возможно при увеличении поголовья КРС и производственных мощностей на фоне снижения себестоимости готового продукта.





В результате выполнения предыдущей областной целевой программы по стимулированию сельского хозяйства «Развитие сельского хозяйства Воронежской области на 2008-2012 годы», на территории Воронежской области произошло значительное увеличение поголовья дойного стада, открылись новые молочные животноводческие фермы и перерабатывающие предприятия. Увеличилось производство молока, как на крупных, так и на малых предприятиях (рис. 1.3).

В сельскохозяйственных организациях В хозяйствах населения и крестьянских (фермерских) хозяйствах Рис. 1.3 - Производство молока в Воронежской обл., тыс. т.

Снижение себестоимости молока и молочной продукции возможно также через усиление производственной базы малых пищевых предприятий и молочных животноводческих ферм, на долю которых в Воронежской области приходится около 40 - 50 % производимого молока. Первичная обработка его здесь затруднена из-за разрозненности производителей молока в сельских поселениях, отсутствием «технической базы» и отдаленности от молочных перерабатывающих заводов.

перерабатывающих предприятий, нашла широкое применение.

Наличие современных технологий и технических средств по конкурентоспособность и рентабельность производства. Поэтому создание компактных, недорогих и энергоэффективных технологических установок является важной проблемой в развитии молочной промышленности.

Разработка и внедрение энергоэффективных электропастеризаторов на малых пищевых предприятиях и молочных животноводческих фермах позволит выйти на прямые связи данных хозяйств с потребителем и снизить конечную цену готового продукта. При этом готовый продукт должен отвечать требованиям ГОСТов, иметь хорошие вкусовые и питательные качества, а также быть пригодно для выработки из него молочных продуктов.

В последние годы наибольшее распространение приобрели установки с комбинированным энергоподводом.

Наиболее перспективным направлением для пастеризации жидких пищевых продуктов является использование возможностей инфракрасного (ИК) излучения с целью направленного воздействия на молоко и микроорганизмы, содержащиеся в нем.

Как в зарубежной, так и в отечественной литературе отсутствуют научные и технические данные, а также методики, которые необходимы для выбора и обоснования параметров, режимов и инженерного расчета ИК пастеризаторов молока.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что актуальной задачей является исследование процесса пастеризации молока в поле ИК излучения, с применением эффективных средств проектирования и моделирования процессов и разработка способа интенсификации процесса с уменьшением его энергетических затрат.

Работа выполнялась на кафедре машин и аппаратов пищевых производств Воронежского государственного университета инженерных технологий. Хотелось бы выразить искреннюю благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Антипову Сергею Тихоновичу за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы.

Исследования по обработке молока ИК излучением потребовали использования достижения современной науки и техники (светотехники, микробиологии, технологии обработки молока и др.), и проводились в содружестве с несколькими научными учреждениями и организациями:

Центр коллективного пользования ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет», Управление федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Воронежской области «Роспотребнадзор», г. Воронеж и филиале в г. Павловск, Федеральное бюджетное учреждение здравоохранения «Центр гигиены и эпидемиологии в Воронежской области», ОАО «Всероссийский научноисследовательский институт комбикормовой промышленности», фермерское хозяйство ОАО «Рассвет».

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ,

ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА

Молоко и молочные продукты занимают важное место в питании человека. Они обеспечивают организм благоприятно сбалансированными и легкоусвояемыми белками, жирами, углеводами, минеральными веществами и витаминами [18].

Значительный вклад в изучение состава молока внесли русские и советские ученые А.Ф. Войткевич, Н.В. Верещагин, Я.С. Зайковский, Р.Б. Давидов, П.Ф. Дьяченко, Г.С. Инижов, А.А. Каланжар, С.В. Паращук и др. Бесспорны заслуги и зарубежных ученых.

Необходимость удовлетворять растущие потребности населения в ценнейшем натуральном продукте – молоке заставляет исследователей и практиков разрабатывать способы обработки молока, обеспечивающие сохранность качественного и количественного состава при условии требуемой длительности хранения. В этом плане значительный практический и научный интерес представляет знание составных частей молока и факторов, влияющих на их сохранность [15, 36, 38, 40].

Одним из ценнейших компонентов молока являются витамины. На содержание в молоке витаминов, а также на вкусовые качества молока и его состав влияет сезонность года, условия хранения и т.д. [10, 11, 17, 55, 59, 105].

Богатое питательными веществами молоко представляет собой благоприятную среду для размножения многих видов микроорганизмов под воздействием которых происходит изменение его состава и структуры [35].

Сохранность продукта обеспечивается приостановлением развития микроорганизмов или их уничтожением.

В малых фермерских и личных подсобных хозяйствах молоко получают ручным доением или на стационарных доильных установках со сбором его в ведра. При этом отмечена высокая загрязненность молока, повышенное содержание бактерий. Около 15-20 % коров доят на доильных Продолжительность хранения сырого молока до сдачи на молокозавод выше, чем на крупных фермах. Расстояние от ферм до молокозаводов также влияет на качество сырья.

По этим причина на молокозаводы поступает около трети всего молока с повышенной кислотностью [15, 68] (особенно в летний сезон).

Поэтому, после доения, необходимо не только немедленно фильтровать и охлаждать молоко, но и подвергать его тепловой обработке – пастеризации.

обеззараживания, был предложен французским ученым Луи Пастером [42, 59] в середине XIX века. Способ пастеризации с тех пор нашел широкое применение во всех странах мира в разнообразных вариантах сочетания температуры нагрева и длительности последующей выдержки молока. Он в меньшей мере воздействует на физико-механические показатели молока, чем обычное, бытовое кипячение.

обработки молока является русский ученый Г.А. Кук [59]. Он разработал теоретическую базу процесса пастеризации и теорию расчетов некоторых аппаратов.

определенной зависимости температуры и времени выдержки при такой температуре. От значения температуры и времени выдержки зависит безопасность молока, его стойкость и срок хранения.

При определенных температурах, могут проявляться нежелательные изменения компонентов молока, влияющие на снижение его пищевой ценности и потребительских свойств.

С начала обработки молока на первом пастеризаторе в начале XIX века и до настоящего времени, основными направлениями науки и техники в области пастеризации молока являются:

- создание пастеризаторов, обеспечивающих эффективное обеззараживание обрабатываемого продукта, в процессе пастеризации, энергоэффективных и надежных в эксплуатации;

- разработка режимов пастеризации и способов качественного воздействия на молоко: электрической, тепловой, лучистой и другими видами энергии, с целью обеззараживания и сохранения биологической ценности продукта.

1.2. Анализ существующих способов обработки молока Рассмотрим известные способы подавления, развития и уничтожения микроорганизмов в молоке. Их можно подразделить на три группы (рис.1.3):

биологические, химические и физические.

К биологическим способам, относят средства борьбы подавляющих рост колоний микроорганизмов, например антибиотики способны обеззараживать сырое молоко.

Однако, у данной технологии есть недостатки. Антибиотики, что остаются в молоке после термической обработки и его хранения оказывают отрицательное действие на потребителя, а также создают трудности при производстве молочных продуктов [108]. В России данный способ в молочной промышленности не применяется [91].

дезинфектантами и их комбинациями. Наилучшим из них считается способ консервирования перекисью водорода (H2O2) [52, 106].

В России данный способ запрещен [91]. Консервировать каким-либо химическим веществом молоко, предназначенное для пищевых целей, категорически запрещено, так как в результате реакции с молоком возможна остаточная токсичность химических веществ.

Самый распространенный способ – физический. Он основан как на уничтожении, так и на удалении микроорганизмов из молока. Данный способ может осуществляться без изменения температуры молока, а также с ее изменением, т.е. повышением или понижением (рис. 1.4.).

К этим способам относятся: фильтрация, центробежная очистка, охлаждение, замораживание, кипячение, пастеризация, стерилизация, ультрапастеризация, поверхностное трение, биоризация, тонкослойная пастеризация, электропастеризация, воздействие токами СВЧ, ультразвуком, электромагнитными колебаниями и другие [49, 65, 69, 85, 88, 93, 101].

При любом виде тепловой обработке, в том числе пастеризации, происходит изменение физико-химических свойств молока и его состава [73].

Фильтрация проводится с целью удаления из молока примесей корма, волос, грязи. При фильтрации, частицы находящиеся во взвешенном состоянии, задерживаются фильтром или проходят сквозь него в зависимости от размера взвешенных частиц и пористости самого фильтра. Последний, задерживает вещества крупных размеров, являющиеся источниками бактериального загрязнения, но не удаляет из молока бактерий.

центробежной силы [21]. Длительность процесса зависит от количества центробежной очистки молока дает возможность повышения эффективности последующей тепловой обработки молока, пастеризации, и значительно улучшить его качество. Полностью заменить пастеризацию центрифугированием в настоящее время возможно, однако это создаст риски, что некоторая часть микроорганизмов, в том числе и патогенных, не может быть полностью удалена из молока под действием центробежных сил.

Удельный вес таких бактерий близок к удельному весу молока [53, 74].

Охлаждение – процесс теплового воздействия на молоко, с доведением температуры не выше 8 °С. Задерживает развитие большинства групп микроорганизмов и увеличивает естественный бактерицидный период, обеспечивая более длительное хранение. Этот способ обязателен.

Замораживание – процесс теплового воздействия на молоко, с доведением до температуры -25 °С. Это дает возможность полностью задержать развитие микроорганизмов, на длительное время, но при этом в молоке могут развиваться гнилостные бактерии. Вкус такого молока со временем становится горьким.

Кипячение – процесс теплового воздействия на молоко, применяется в быту. Оно не может быть рекомендовано в масштабах производства, так как приводит к значительным изменениям качественных свойств молока.

воздействия на молоко. Пастеризация заключается в нагревании молока до определенного времени [51]. Применение данного способа основано на пастеризации вина, что сквашивание и другие нежелательные виды брожения можно нейтрализовать нагреванием в течение некоторого времени, от нескольких минут до часа. При пастеризации молока, благодаря тепловому воздействию, уничтожается почти полностью обычная микрофлора и вся патогенная микрофлора, если есть [57].

На изменение микрофлоры молока, его структуры и состава влияет не только температура нагрева, а также условия, в которых осуществляется процесс пастеризации. При наличии кислорода в процессе нагрева молока выделяются газы, разрушающие витамины содержащимся в продукте. Без доступа воздуха, сохранность витаминного состава возрастает.

Пастеризацию условно делят на три вида: на длительную, при кратковременную, при температуре 75 °С и времени выдержки 15-40 секунд;

мгновенную, при температуре 85-90 °С и времени выдержки 3-5 секунд.

высокотемпературной кратковременной пастеризации с использованием пластинчатого пастеризатора. В нем поток молока прогоняется в тонком зазоре между пластинами теплообменника, которые нагреваются с другой стороны горячей водой. [36, 46, 63]. Существенным недостатком является некоторое ухудшение вкусовых качеств и питательной ценности молока из-за контакта его с горячими стенками теплообменника.

При мгновенной пастеризации тонкий слой молока в потоке быстро нагревается без доступа воздуха до температуры не менее 85 °С, кратковременно выдерживается при ней и немедленно охлаждается. После такой обработки молоко и сливки не портятся в течение 3 месяцев без охлаждения [22, 27].

Обычно, пастеризованное молоко хранится до 2 недель, после чего закисает. Пастеризованное молоко пригодно для последующего приготовления из него молочнокислых продуктов. В нем также сохраняется большая часть полезных для организма веществ.

Одним из главных недостатков термической обработки молока в теплообменных аппаратах является выпадение белков в результате чего на теплообменной поверхности теплообменника образуется «накипь», в виде белка или молочного камня. Это сильно ухудшает работу пастеризатора с точки зрения гидродинамики и теплопередачи. Использование мойки кислотами и щелочами позволяет устранять пригар.

Выше указывались минимальные значения температуры и времени выдержки. На практике большинство производителей молочных продуктов проводят процесс пастеризации при более высоких температурах, тем самым увеличивая сроки хранения, зачастую пренебрегая качеством готового продукта.

Изменение качества и состава молока при пастеризации в большей пастеризационного аппарата [53, 96, 98, 99].

применяется при производстве питьевого молока, с увеличенным сроком хранения. Температура нагрева выбрана таким образом, что гарантирует Стерилизации присущи недостатки пастеризации [12].

Стерилизуют молоко при температуре от 120-130 до 130-150 °С в течение 30 минут. При таком воздействии погибают все микроорганизмы, в том числе и молочнокислые, поэтому такое молоко хранится до 1 года и не прокисает, а становится горьким. Ни простокваша, ни творог из такого стерилизованного молока для организма самая низкая.

Ультрапастеризация - процесс теплового воздействия на молоко, с целью продлить срок годности продукта питания. Молоко при таком способе нагревают до температуры 135-150 °C на 2-3 секунды, а затем медленно охлаждают до 4-5 °C и разливают в стерильную упаковку. При этом патогены и микроорганизмы уничтожаются полностью. Молоко после такой обработки хранится 6 недель и дольше при комнатной температуре.

Процесс ультрапастеризации условно подразделяется на два способа:

- когда молоко контактирует с нагретой поверхностью, при температуре от 125-140 °C;

- когда происходит прямое смешивание молока и стерильного пара в противотоке, при температуре от 135-140 °C.

При нагревании молока до высоких температур 125-145 °C, в нем частично разрушается фолиевая кислота, витамин B12, витамин С и витамин B1 [118].

Поверхностное трение - процесс теплового воздействия на молоко, за счет сил трения, обеспечивая нагрев продукта. Техническое средство конструктивно может быть выполнено в виде диска в неподвижном кожухе [56]. Данный способ не вышел за рамки исследовательских работ и пилотных установок. Принцип действия данного способа заключается в создании сил трения в молоке, подаваемом в зазор между вращающимся диском и неподвижным кожухом. За счет сил трения происходит нагрев, а благодаря воздействию центробежных сил на молоко исключается возникновения пригара характерный для процесса пастеризации, стерилизации, ультрапастеризации и др.

осуществляемый в закрытом аппарате путем распыления его под высоким давлением, сопровождающийся быстрым и равномерным нагревом продукта до температуры 72…76 °С и последующего быстрого охлаждения до температуры 10…15 °С.

Тонкослойная пастеризация (или стассанация) - процесс теплового воздействия на молоко, обоснованный доктором Стассано [26, 38]. Процесс стассанации заключается в нагреве молока с двух сторон тонкого слоя молока в узком канале (около 1…1,2 мм) при температуре 75 °С, не более 15…16 секунд, после чего быстро охлаждается. Обработка тонкого слоя молока производится горячей водой, а не паром. Бактерии притягиваются к нагретым внутренним стенкам узких каналов аппарата и погибают.

Электропастеризация - процесс теплового воздействия на молоко, за счет пропускания электрического тока через обрабатываемый продукт. При прохождении электрического тока через молоко, в нем происходят, как термические, так и химические изменения, оказывающие влияния на электропастеризаторов с прямым и косвенным нагревом молока [26, 46].

Тепло от нагретой стенки кондуктивно передается продукту, а за счет электрического тока происходит выделение тепла непосредственно в обрабатываемом продукте. Нагрев молока происходит одновременно во всем его объеме.

достигается в электропастеризаторах прямого действия. Из недостатков можно отметить, что при использовании постоянного тока происходит электролиз молока. Наилучшие результаты бактерицидного действия на молоко показали высокочастотные электропастеризаторы [33, 89].

существенный недостаток влияющий на работу аппарата – образование пригара на рабочих поверхностях. Указанное явление объясняется наличием значительного перепада температур между стенкой и молоком, что промышленности, электропастеризаторы не нашли практического применения.

Способ СВЧ – нагрева подобен воздействию высокой температуры.

диэлектрическими потерями в продукте, вызываемых колебанием и трением молекул под действием переменного электрического поля высокой частоты.

органолептические свойства молока и его химический состав изменились меньше, чем при обычной пастеризации. При этом, молоко приобретает большую стойкость при хранении [88].

используемых генераторов указывает на целесообразность его применения.

Ультразвуковая обработка - процесс не теплового воздействия на молоко. Без повышения температуры продукта. При обработке молока данным способом, сохраняются витамины, органолептические показатели продукта, увеличивается срок хранения. Эффективность обеззараживания зависит от режимов работы, температуры обрабатываемого продукта и длительности воздействия ультразвуком. Лучшие показатели качества достигаются в аппаратах с проточной системой, где не происходит смешивание обработанного молока, с необработанным [88].

Практическое применение в промышленности этот способ не нашел, за счет высокой стоимости и сложностью эксплуатации аппаратуры.

Пастеризация излучением – процесс переноса тепловой энергии к молоку при помощи электромагнитных волн [120].

Альфа-излучение – один из видов ионизирующих излучений с сравнительно малой проникающей способностью. Использование -излучения, для процесса обеззараживания молока, не получило распространения.

Бета-излучение – представляет собой поток электронов, испускаемый атомными ядрами при их бета распаде, может распространяться в зависимости от энергии излучения со скоростью света. -излучение обладает большей проникающей способностью. Использование -излучения для процесса обеззараживания молока более эффективно. Однако, также не целесообразно.

Гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с длинной волны менее 210-10 м. В процессе воздействия на молоко, показало губительное действие на кишечную палочку, споры антракоида [109], гнилостные, в том числе и газообразующие бактерии. Использование гаммаизлучения для обеззараживания молока имеет большие перспективы. При работе с -излучением необходимо защищать обслуживающий персонал от вредного воздействия на человека [117].

Из-за отсутствия на практике обоснования доз и параметров установок, в настоящее время этот вид обработки не является приемлемым для практических целей.

Нейтронное излучение – основной вид радиоактивного излучения обладающий высокой проникающей способностью. В пищевой промышленности не приемлем, так как может вызывать искусственную радиоактивность.

Рентгеновское излучение – электромагнитное излучение с длиной волны от 10-12 до 10-8 м. Способно проникать глубоко в продукт и оказывать бактерицидное воздействие. Обеззараживание, таким излучением не вызывает образования радиоактивности и вполне безопасно. При использовании рентгеновского излучения необходимо защищать обслуживающий персонал от вредного воздействия на человека [63]. Требует большого количества энергии для получения данного вида излучения.

Ультрафиолетовое излучение (УФ) – электромагнитное излучение с длиной волны от 10 до 400 нм. Является одним из разновидностей оптического излучения. Условно делится на четыре характерных области спектра. Область А (315 400 нм), имеет относительно небольшую биологическую активность. Излучения области В (315 280 нм), способно превращать провитамины в активно действующий витамин D3. Излучение области C (200 280 нм) обладает сильным бактерицидным воздействием на продукт [58]. Излучение области D (10 200 нм) сильно поглощается воздухом и получило название вакуумного УФ излучения.

Области излучения С и В представляют значительный интерес для практики. Область C – обеспечивает обеззараживание молока.

Область B – повышает содержание витамина D3 в молоке. Проникающая способность УФ излучения в молоко чрезвычайно мало [115]. Качество облученного молока подверженного УФ-излучению зависит от температуры молока, количества жира и размеров жировых шариков [82].

Молоко пастеризованное УФ излучением существенно не изменяет органолептические и физико-химические показатели, не снижает и технологических качеств при последующем использовании молока для выработки из него некоторых сыров [82, 111].

Обработка молока УФ излучением осуществляется без значительного повышения температуры продукта, в зависимости от использования определенных УФ ламп [28].

Из явных недостатков, возможно частичное разрушение витаминов В1, В2, С и денатурация белка. Значительные дозы УФ излучения могут вызывать структурные изменения компонентов молока, вместо витамина D образуются вещества не обладающие витаминным действием, в лучшем случае – безвредны для организма человека, а иногда могут быть токсичными [83]. При УФ-излучении наблюдается изменение вкуса молока;

оно приобретает слабый привкус пастеризованного молока.

ИК излучение – электромагнитное излучение, занимающее наибольшую часть оптической области спектра (750 10 7 нм), нашло практическое применение для обработки молока благодаря щадящему воздействию на продукт [18, 26, 27, 39, 47, 87]. Однако, в литературе отсутствуют достаточные данные по влиянию ИК излучения на молоко и его составные части, не разработаны теоретические основы этого способа обработки, а также нет данных по обоснованию режимов и методики расчета установок.

ИК излучение имеет одинаковую природу с УФ излучением, и отличается от него по физическим, химическим и физиологическим воздействиям на продукт, подвергающийся обработке. Вследствие малой энергии своих квантов ИК излучение не вызывает фото-химических реакций, что очень ценно для технологического процесса пастеризации молока [25].

Основные преимущества использования ИК излучения, заключаются в длительности времени обработки молока (3-5 секунд) и низкой девитаминизации.

Проведенные ранее исследования воздействия ИК излучения на молоко показало, что процесс пастеризации сопровождается снижением количества микроорганизмов, без существенных изменений в содержании белков (альбумин, казеин) и витаминов: А, каротина (провитамина А), В1, В и С. При такой обработке содержание витаминов в молоке было выше, чем в молоке обработанном в пластических теплообменных аппаратах [94, 95].

1.3. Краткий обзор оборудования для тепловой обработки молока Российская машиностроительная промышленность изготовляет различные конструкции тепловых аппаратов, которые отличаются друг от друга не только источниками энергии для тепловой обработки (нагрева) молока, но и энергетическими, эксплуатационными, технологическими и другими показателями.

продукта и окружающего воздуха - открытые и закрытые; по форме рабочих органов - плоские и круглые; по профилю поверхности рабочих органов трубчатые и пластинчатые; по конструкции - однорядные и многорядные (пакетные); по числу секций - односекционные и многосекционные; по охлаждаемому продукту - прямопоточные и противоточные [5, 6, 32, 60, 92].

распространение получили охладители открытого (оросительные и емкостные) и закрытого (трубчатые и пластинчатые) типов.

трубчатого и пластинчатого типов. В качестве емкостных подогревателей обычно используют емкости специального назначения и ванны длительной пастеризации.

Трубчатые и пластинчатые подогреватели несущественно отличаются от охладителей подобных типов. В этих аппаратах вместо охлаждающей жидкости подают пар или реже горячую воду.

зависимости от характера выполнения операции делят на аппараты непрерывного и периодического действия. По виду источника энергии различают паровые, электрические и комбинированные аппараты.

Наибольшее распространение среди оборудования этой группы получили пластинчатые и трубчатые установки непрерывного действия, а также ванны длительной пастеризации молока, относящиеся к оборудованию периодического действия [92].

Охлаждение и нагревание молока. При охлаждении молока и продуктов его переработки применяют открытые и закрытые охладители.

Охладители открытого типа применяют преимущественно для охлаждения небольшого количества молока и делят на оросительные и емкостные. Открытый оросительный охладитель (рис. 1.5) представляет собой вертикальную стенку из горизонтальных труб, размещенных одна над другой. Внутри труб циркулирует вода или рассол. Охлаждаемое молоко стекает на поверхность труб из распределительного желоба и собирается в сборнике. Для уменьшения габаритных размеров охладительных установок их изготовляют в виде параллельных секций. В этом случае желоб распределяет молоко на каждую секцию.

В некоторых оросительных охладителях в качестве хладоносителя применяют аммиак или фреон. При таком охлаждении в секцию снизу вводят жидкий хладагент, например аммиак. В газообразном виде он отсасывается компрессором. Охладительные секции в этом случае изготовляют из нержавеющей стали.

В поточных линиях доения коров и первичной обработки молока применяют круглые оросительные охладители, работающие в закрытом потоке под вакуумом. Однако при одинаковой производительности с плоскими охладителями, круглые имеют значительно большие габаритные размеры, что ограничивает их применение.

Емкостные охладители являются универсальным оборудованием и служат для сбора, охлаждения и хранения молока. Широкое применение они получили на фермах, а также на молокоперерабатывающих предприятиях малой и средней мощности.

а - общий вид: 1 - секция охлаждения холодной водой; 2 - патрубок для выхода холодной воды; 3 - распределительный желоб; 4 - патрубок для подачи продукта; 5 - патрубок для выхода охлажденного продукта; 6 - рама; 7 -сборник; 8 - патрубок для подачи рассола;

9 - секция охлаждения рассолом; 10 - патрубок для выхода рассола; 11 - патрубок для подачи холодной воды; б - система аммиачного охлаждения: 1 - секция охлаждения аммиаком; 2, 8 - запорные вентили; 3 - трубопровод для газообразного аммиака;

4 - аккумулятор; 5 - предохранительный клапан; 6 - бародросселируюший клапан;

7 - патрубок для подачи жидкого аммиака; 9 - фильтр; 10 - регулирующий клапан;

11 - трубопровод для жидкого аммиака; 12 - манометр; 13 - маслоотделитель;

Молоко в емкостях охлаждается двумя способами: непосредственно кипящим хладагентом и посредством промежуточного хладоносителя.

Следует отметить, что в расчете на 1 л охлажденного молока в первом случае затрачивается почти в 3 раза меньше электроэнергии, чем во втором.

Емкости с непосредственным охлаждением молока выпускают со холодильным агрегатом, как правило, комплектуют емкости большой вместимости (1000 л и больше), так как в этом случае для эффективной работы агрегата возникает необходимость установки вентиляционного оборудования или рекуператора теплоты.

Емкость с непосредственным охлаждением молока состоит из ванны в нижней части которой находится щелевой испаритель, мешалки с приводом, откидные крыши и фреоновый трубопровод. Пространство между ванной и корпусом емкости заполнено пенополиуретановой термоизоляцией, плотно неметаллического материала. Откидные крышки и небольшая высота емкости обеспечивают удобство ручной мойки.

Для приемки, фильтрации и охлаждения молока до 5...6 °С непосредственно после дойки на молочно-товарной ферме и хранения при этой температуре до отправки на перерабатывающий завод применяют ванны П-785 (рис. 1.6).

Рис. 1.6 - Ванна П-785 для приема и первичного охлаждения молока:

1 - машинная часть фреоновой холодильной установки; 2 - крышка;

3 - привод мешалки; 4 - мешалка; 5 - внутренняя ванна; 6 - изоляция;

Ванна изготовлена из листового алюминия, днище имеет уклон в сторону сливного крана. В верхней части ванны укреплена перемычка, на электродвигателя 3 и редуктора. Ванна снабжена двумя съемными крышками 2 с отверстиями для установки сетчатых фильтров. Внутри ванны вмонтированы термобаллон электроконтактного термометра 9 и мерная линейка, пропущенная через отверстие в перемычке, для определения количества молока. Вверху между рабочей и наружной ваннами укреплены оцинкованные трубы - оросители, соединенные резиновым шлангом с насосом, подающим холодную воду. Через мелкие отверстия в трубах оросителя холодная вода растекается по стенкам рабочей ванны 5 тонким слоем.

Машинная часть ванны состоит из фреонового холодильного агрегата, насоса с электродвигателем и шкафа управления. Холодильный агрегат установлен на пружинных виброизоляторах, устраняющих передачу колебаний к рабочей ванне. Для подачи в ороситель ледяной воды, подводимой со стороны, служит насос, снабженный трехходовым краном.

Подачу воды в ороситель регулируют вентилем. Для механической очистки ее предусмотрен фильтр.

Примерно за полтора часа до дойки включают холодильный агрегат поворотом рукоятки пакетного выключателя. За это время вода охлаждается, и одновременно на трубах трубчатого ребристого испарителя, погруженного в воду, намерзает лед толщиной до 10 мм для аккумуляции холода.

При охлаждении воды до температуры 1 - 2 °С компрессор автоматически выключается и ванна наполняется молоком через сетчатые фильтры. Специальным устройством молоко распределяется тонким слоем по охлажденным стенкам рабочей ванны. Насос подает холодную воду в ороситель, и она, стекая тонким слоем по наружной поверхности рабочей ванны, охлаждает молоко. Во время охлаждения молоко перемешивается двухлопастной мешалкой.

Через 3 часа молоко охлаждается до заданной температуры, после чего с помощью электроконтактного термометра автоматически выключается насос для подачи холодной воды и привод мешалки.

Работу компрессора контролируют реле давления и термореле. Они автоматически выключают электродвигатель компрессора при понижении давления и замерзании воды. Кроме того, предусмотрено выключение насоса при аварийном отключении электродвигателя мешалки.

змеевиковую, оросительную или рубашечную систему охлаждения. Первые две применяют в емкостях специального назначения при выработке какихлибо молочных продуктов.

Емкости с рубашечной системой охлаждения типа РПО вместимостью 1600 и 2500 л получили наибольшее распространение. Принцип их работы заключается в подаче охлажденной с помощью холодильной установки воды в рубашку емкости при одновременном перемешивании молока мешалкой лопастного типа.

Закрытые охладители бывают двух типов: трубчатые и пластинчатые.

Охладитель трубчатого типа (рис. 1.7, а) состоит из двойных труб, вставленных одна в другую и помещенных в общий теплоизолированный хладоноситель - противотоком по кольцевому зазору. Охладители трубчатого типа могут иметь две секции: охлаждения холодной водой и рассолом.

Охладитель пластинчатого типа (рис. 1.7, б) представляет собой теплообменный аппарат, рабочая поверхность которого выполнена из отдельных параллельно сомкнутых пластин. Он состоит из главной стойки с верхней и нижней горизонтальными штангами, нажимной плиты и гайки. На верхней штанге подвешивают теплообменные рабочие пластины с рифленой поверхностью. Между ними благодаря резиновым прокладкам образуются каналы, по которым протекают охлаждаемый продукт и хладоноситель. Все пластины уплотняются нажимными плитой и гайками. Основными параметрами, характеризующими пластинчатый охладитель, являются тип и число теплообменных пластин. Размеры, форма и профили их поверхностей разнообразны.

а - схема охладителя трубчатого типа: 1 - патрубок для выхода охлаждаемого продукта;

2, 7 - патрубки для входа и выхода хладоносителя; 3 - наружные трубки; 4 - калачи;

5- внутренние трубки; 6 - кольцевой канал; 8 - патрубок для входа охлаждаемого продукта, б - охладитель пластинчатого типа; 1 - главная стойка; 2, 6 - штанги;

3 - распорка; 4 - нажимная гайка; 5 - ножи 7 - нажимная плита; 8 - секция водяного охлаждения; 9 - разделительная пластина; 10 - секция рассольного охлаждения Охладители производительностью до 1000 л/ч оснащены пластинами с площадью поверхности 0,043 м2, охладители производительностью 3000...5000 л/ч имеют теплообменные пластины площадью 0,145 и 0,2 м2.

В зависимости от производительности охладителя и числа секций в нем (одна или две) в аппарате может быть от 28 до 88 пластин и больше.

Для аппаратов молочной промышленности и сельского хозяйства выпускают теплообменные пластины ленточно-поточного и сетчатопоточного типов.

Пластины первого типа характеризуются тем, что создаваемый поток жидкости между ними подобен волнистой гофрированной ленте. При использовании пластин второго типа поток жидкости разветвляется на смыкающиеся и расходящиеся потоки. Это связано с огибанием жидкостью опорных точек, образуемых взаимным пересечением наклонных гофр и расположенных по ширине, подобно сетке. Пластины второго типа имеют более высокое сопротивление проталкивания теплообменивающихся сред, однако обладают лучшими теплотехническими показателями, чем ленточнопоточные. В большинстве пластинчатых охладителей зарубежного производства применяют только пластины сетчато-поточного типа, причем с еще более сложной конфигурацией сетки.

Для нагрева молока перед сепарированием служат пластинчатые и трубчатые нагреватели производительностью 5000, 10 000 и 25 000 л/ч. В процессе приготовления некоторых молочных продуктов молоко нагревают в емкостных теплообменных аппаратах различного назначения.

В связи с тем, что разность начальной и конечной температур обрабатываемого продукта сравнительно невелика (25...45 °С), общая поверхность теплопередачи пластинчатых нагревателей молока обычно в 1,5...2 раза меньше, чем у пастеризационных установок с такой же производительностью. Достигается это в основном уменьшением числа пластин в аппарате.

пастеризационных установках аналогичного типа. Он состоит из одноцилиндрового теплообменного аппарата, узла отвода конденсата, парового вентиля, насоса для подачи молока и измерительных приборов. В процессе нагрева молоко насосом подается в цилиндр и последовательно проходит по 24 трубкам длиной 1,2 м каждая с внутренним диаметром 27 мм.

В межтрубное пространство цилиндра подается пар.

Пастеризация молока и молочных продуктов. Молоко и молочные пастеризационных установках, а также в пластинчатых пастеризационноохладительных установках.

К первым относят ванны длительной пастеризации и универсальные ванны.

Трубчатая пастеризационная установка (рис. 1.8) состоит из двух центробежных насосов, трубчатого аппарата, возвратного клапана, конденсатоотводчиков и пульта управления с приборами контроля и регулирования технологического процесса.

Основной элемент установки - двухцилиндровый теплообменный аппарат, состоящий из верхнего и нижнего цилиндров, соединенных между собой трубопроводами. В торцы цилиндров вварены трубные решетки, в которых развальцовано по 24 трубы диаметром 30 мм. Трубные решетки из соединяющие последовательно концы труб, образуя, таким образом, непрерывный змеевик общей длиной около 30 м. Торцевые цилиндры закрывают крышками с резиновыми уплотнениями для обеспечения герметичности аппарата и изолирования коротких каналов друг от друга. Пар подается в межтрубное пространство каждого цилиндра. Отработанный пар, в виде конденсата, выводится при помощи термодинамических конденсатоотводчиков.

Нагреваемое молоко движется во внутритрубном пространстве, проходя последовательно нижний и верхний цилиндры. На входе пара установлен регулирующий клапан подачи пара, а на выходе молока из аппарата - возвратный клапан, с помощью которого недопастеризованное молоко автоматически направляется на повторную пастеризацию.

Возвратный клапан связан через регулятор температуры с термодатчиком, расположенным также на выходе молока из аппарата. Установка снабжена манометрами для контроля за давлением пара и молока.

Обрабатываемый продукт из накопительной емкости с помощью первого центробежного насоса подается в нижний цилиндр теплообменного аппарата, где нагревается паром до температуры 50...60 °С и переходит в верхний цилиндр. Здесь продукт пастеризуется при температуре 80...90 °С.

Второй насос предназначен для подачи молока из первого цилиндра во второй. Следует отметить, что в трубчатых пастеризационных установках скорость движения различных продуктов неодинакова. В установке для пастеризации скорость их перемещения в трубах теплообменного аппарата перемещения молока за счет применения двух насосов выше и составляет 2,4 м/с.

сравнению с пластинчатыми являются значительно меньшее количество и размеры уплотнительных прокладок, а недостатками - большие габариты и высокая металлоемкость; кроме того, при чистке и мойке этих установок теплообменного аппарата.

1 - центробежные насосы для молока; 2 - конденсатоотводчик; 3, 4 - патрубки конденсата;

5, 6, 7, 8 - молокопроводы; 9 - возвратный клапан; 10- регулирующий клапан подачи пара;

11 - предохранительные клапаны; 12 - паропровод; 13 - манометры для пара; 14 - патрубок для выхода пастеризованного молока; 15 - манометр для молока; 16 - пульт управления;

Трубчатые установки эффективны в том случае, если последующий процесс обработки молока проводят при температуре, незначительно отличающейся от температуры пастеризации.

Пастеризационно-охладительные установки применяют для тепловой обработки молока, сливок и смеси мороженого. Конструкция каждой из таких установок имеет свои особенности, которые отражены при описании оборудования для производства различных молочных продуктов.

В состав пастеризационно-охладительной установки, используемой при производстве питьевого молока (рис. 1.9), входят уравнительный бак, центробежные насосы для горячей воды и молока, пластинчатый аппарат, сепаратор-молокоочиститель, выдерживатель, возвратный клапан, система нагрева и шкаф управления.

Рис. 1.9 - Схема пластинчатой пастеризационно-охладительной установки типа ОПФ:

1 - пластинчатый; 2 - сепаратор-молокоочиститель; 3 - молочный насос;

4 - уравнительный бак; 5 - пульт управления; 6 - выдерживатель; 7 - водяной насос;

8 - конвекционный бак; 9 - инжектор; 10 - клапан, регулирующий подачу пара;

уравнительного бака и подачи его в пластинчатый аппарат. Для исключения подсоса воздуха в насос в уравнительном баке с помощью поплавкового механизма поддерживается определенный уровень молока (не менее 300 мм).

Невыполнение этого условия приводит к пенообразованию, которое снижает эффективность пастеризации.

Пластинчатая пастеризационно-охладительная установка (рис. 1.10) имеет главную переднюю стойку и вспомогательную заднюю стойку, в которые закреплены концы верхней и нижней горизонтальных штанг.

Верхняя предназначена для подвески теплообменных пластин. По периферии каждой пластины в специальной канавке уложена большая резиновая прокладка, герметично уплотняющая канал. Пластины имеют отверстия с небольшими кольцевыми резиновыми прокладками. После сборки пластин в аппарате образуются две изолированные системы каналов, по которым перемещаются молоко и охлаждающая жидкость.

Пластинчатый аппарат снабжен теплообменными пластинами из нержавеющей стали, разбитыми на пять секций: первая и вторая ступени регенерации, пастеризации, охлаждения артезианской водой и охлаждения ледяной водой. Некоторые пластинчатые аппараты имеют одну секцию регенерации. Секции отделены друг от друга специальными промежуточными плитами, имеющими по углам штуцера для подвода и отвода жидкостей. На пластине выбиты порядковые номера, те же номера указаны на схеме компоновки пластин.

Пластины прижаты к стойке с помощью плиты и прижимных устройств. Степень сжатия тепловых секций определяют по таблице со шкалой, установленной на верхней и нижней распорках. Нулевое деление устанавливают по оси болта вертикальной распорки, оно соответствует минимальному сжатию, обеспечивающему герметичность.

Рис. 1.10 - Пластинчатые аппараты с различным расположением секций:

а - с односторонним расположением: 1,2,11,12 - штуцера; 3 - передняя стойка; 4 - верхнее угловое отверстие; 5 - малая кольцевая резиновая прокладка; 6 - граничная пластина;

7 - штанга; 8 - нажимная плита; 9 - задняя стойка;10 - винт; 13 - большая резиновая прокладка; 14 - нижнее угловое отверстие; 15 - теплообменная пластина;

б - с двусторонним расположением: 1 - зажимное устройство; 2 - нажимные плиты;

3 - первая секция рекуперации; 4 - штуцер для вывода молока из секции рекуперации (3) и подачи его к сепаратору-молокоочистителю; 5 - вторая секция рекуперации; 6 - штуцер для ввода молока в секцию рекуперации (5) после выдерживателя; 7 - секция пастеризации; 8 - главная стойка; 9 - секция водяного и рассольного охлаждения;

10 - штуцер для входа пастеризованного молока; 11 - распорка; 12 - ножка; 13 - штуцер для выхода рассола; 14 - штуцер для выхода пастеризованного молока из секции пастеризации и подачи его в выдерживатель; 15 - штуцер для входа молока в секцию рекуперации после центробежного молокоочистителя; 16 - штуцер для выхода горячей воды; 17 - штуцер для выхода холодной воды; 18 - штуцер для входа рассола; 19 - штуцер для входа пастеризованного молока в секцию водяного охлаждения; 20 - разделительные В установках большой производительности пластинчатые аппараты имеют двустороннее расположение секций по отношению к главной стойке.

Сепаратор-молокоочиститель служит для очистки молока. При использовании очистителя с центробежной выгрузкой осадка устанавливают один сепаратор, с ручной - два.

Выдерживатель - один из основных элементов пастеризационноохладительных установок. В нем молоко выдерживается при температуре пастеризации в течение определенного времени (20 или 300 с), необходимого для завершения бактерицидного действия температуры.

Выдерживатель состоит из одного или четырех цилиндров, которые закреплены на трубчатых опорах. В некоторых установках выдерживатель выполнен в виде четырех спиралеобразных секций, изготовленных из труб диаметром 60 мм. При обработке молока, полученного от здоровых животных, в работе участвует одна секция. В случае обработки молока от больных животных оно пропускается последовательно через все четыре секции выдерживателя. Таким образом, время выдержки молока при прочих равных условиях зависит от объема выдерживателя.

Возвратный, или перепускной, электрогидравлический клапан служит для автоматического переключения потока молока на повторную пастеризацию при снижении его температуры в секции пастеризации.

Система нагрева промежуточного теплоносителя пастеризационноохладительной установки состоит из конвекционного бака, насоса горячей воды, инжектора, регулирующего клапана подачи пара и трубопроводов. Бак служит для сбора, выравнивания температуры и отвода излишков воды.

Инжектор предназначен для смешивания пара с водой, циркулирующей между конвекционным баком и секцией пастеризации установки. Количество пара, поступающего в инжектор, регулируется клапаном в зависимости от заданной температуры пастеризации молока. Для циркуляции горячей воды в системе инжектор - пластинчатый аппарат - конвекционный бак применяют центробежный насос.

В пастеризационно-охладительных установках с электронагревом промежуточного теплоносителя вместо конвекционного бака с инжектором установлен электрический водонагреватель - емкость цилиндрической формы вместимостью около 40 л, на крышке которой размещены электронагревательные элементы. Для подпитки и поддержания постоянного уровня воды имеется уравнительный бак, смонтированный на корпусе емкости. Уровень воды в емкости контролируется измерителем уровня, который отключает нагревательные элементы при падении его ниже нормы.

Избыток воды из водонагревателя удаляется с помощью переливной трубы.

Работа пастеризационно-охладительной установки при производстве питьевого молока заключается в следующем. Молоко из емкости для хранения направляется самотеком или под напором в уравнительный бак, откуда насосом подается в первую секцию регенерации пластинчатого аппарата. Подогретое до 37...40 °С, оно поступает в молокоочиститель для очистки от механических примесей и идет на дальнейший подогрев во вторую секцию регенерации и секцию пастеризации, где нагревается до 90 °С. Из секции пастеризации молоко через электрогидравлический перепускной клапан направляется в выдерживатель, находится там в течение 300 с, далее поступает в секции регенерации для передачи теплоты встречному потоку молока, поступающему в аппарат. После этого оно попадает последовательно в секции охлаждения водой и рассолом, где охлаждается до 8 °С, и выходит из установки.

Охлаждается молоко с помощью артезианской и ледяной воды или рассола, поступающих от холодильной установки. Охлаждение молока до температуры не выше 8 °С возможно только при нормальной кратности подачи воды и рассола в секции охлаждения. Весь процесс пастеризации регулируется автоматически.

Требуемая температура пастеризации поддерживается электронным мостом. Регулировка плавная. Температура пастеризации записывается на диаграммной ленте контрольного прибора. Звуковая и световая сигнализация срабатывает при падении температуры пастеризации ниже 90 °С.

Пластинчатые пастеризационно-охладительные установки по сравнению с другими типами тепловых аппаратов имеют ряд преимуществ:

малая рабочая вместимость, что позволяет приборам автоматики более точно отслеживать ход технологического процесса (в пластинчатой установке рабочая вместимость в три раза меньше, чем у трубчатой такой же производительности);

способность работать достаточно эффективно при минимальном тепловом напоре;

минимальные теплопритоки и потери теплоты и холода (тепловая изоляция обычно не требуется);

существенная экономия (80...90%) теплоты в секциях регенерации (удельный расход пара в пластинчатых установках в 2...3 раза меньше, чем в трубчатых, и в 4...5 раз, чем в емкостных теплообменниках);

малая установочная площадь (пластинчатая установка занимает примерно в 4 раза меньшую поверхность, чем трубчатая аналогичной производительности);

возможность менять число пластин в каждой секции, что позволяет технологическому процессу;

возможность безразборной циркуляционной мойки аппаратуры.

1.3.1. Пастеризаторы с ИК воздействием на молоко Достижения последних лет науки и техники сделали возможным практическое применение ИК излучения в практике пастеризации жидких пищевых продуктов, как в России, так и за рубежом. Стремление расширить область применения подобных технических средств обработки жидкостей ИК излучениями (вино, плодово-ягодные соки и другие биологические жидкости) и полученный положительный эффект способствовали созданию устройств для обработки молока ИК излучением. Однако, известно ограниченное число таких конструкций.

По техническому признаку аппараты ИК излучения для обработки молока могут быть подразделены на подогреватели и пастеризаторы по способу облучения и расположению источников излучения на аппараты одностороннего, двустороннего и внутреннего воздействия. Последние, наиболее эффективны с точки зрения полноты использования энергии ИК излучения для выполнения технологического процесса.

электроэнергии в некоторых пастеризационно-охладительных установках в качестве источника прямого нагрева молока применяют инфракрасные нагреватели. В установках с небольшой производительностью молоко подается на обработку инфракрасным излучателем тонким слоем.

Далее рассмотрим наиболее распространенные пастеризационные установки для молока.

В пастеризационно-охладительной установке УОМ-ИК-1 (рис. 1.11, рис. 1.12) кроме секций инфракрасного электронагрева имеются выдерживатель и пластинчатый теплообменный аппарат.

Рис. 1.11 - Пастеризационно-охладительная установка УОМ-ИК- Секция инфракрасного нагрева состоит из трубок кварцевого стекла U-образной формы с отражателями из анодированного алюминия. В секции дополнительных), на которые навита спираль из нихрома. Трубки включены в сеть параллельно.

Выдерживатель состоит из двух последовательно соединенных труб из нержавеющей стали.

В пластинчатом теплообменном аппарате имеются секция регенерации и две секции охлаждения.

Молоко поступает в уравнительный бак и из него насосом последовательно подается в секции регенерации, инфракрасного нагрева и выдерживатель. После выдерживателя пастеризованное молоко проходит последовательно проходит секции охлаждения водой и рассолом.

Рис. 1.12 - Схема пастеризационно-охладительной установки УОМ-ИК-1:

1 - секция инфракрасного электронагрева; 2 - выдерживатель; 3, 15 - термометры;

4 - смотровой участок; 5, 6 - трехходовые краны; 7 - секция охлаждения ледяной водой (рассолом); 8 - секция охлаждения водой; 9 - секция регенерации; 10 - манометр;

11 - пластинчатый теплообменник; 12, 13 - вентили; 14 - перепускной клапан;

16 - термометр сопротивления; 17 - кран; 18 - уравнительный бак; 19 - насос;

20 - моечный трубопровод; 21 - емкость для хранения молока отечественных установок обладают модульные автоматизированные пастеризационно-охладительные установки с электронагревом «Поток Терм 500/1000/3000» (рис. 1.13).

Особенностью этих установок является высокий коэффициент регенерации теплоты (0,9), система подготовки горячей воды с электронагревом и четырехсекционный пластинчатый теплообменник (две секции регенерации, секция пастеризации и секция охлаждения). В последнем резиновые прокладки выполнены из патентованного материала и соединены с пластинами специальными зажимами, т. е. без помощи клея.

Техническая характеристика данного типа приведена в табл. 1.1.

Рис. 1.13 - Пастеризационно-охладительные установки с электронагревом «Поток Терм»

полуавтоматические пастеризационно-охладительные установки «Поток Терм 3000/5000/10000», в которых нагрев продукта до температуры пастеризации осуществляется паром давлением 300 кПа. Расход пара в этих установках составляет соответственно 60, 100 и 173 кг/ч.

Техническая характеристика пластинчатых пастеризационно-охладительных установок для молока Температура молока, °С:

Время выдержки молока при Давление подводящей магистрали, кПа, Мощность, потребляемая установкой в Наряду с пастеризаторами, в которых источником прямого нагрева молока являются инфракрасные лучи, созданы и получают все большее распространение установки для пастеризации молока, работа которых основана на использовании ультрафиолетового излучения. Применение таких установок позволяет значительно снизить металло- и энергоемкость технологического процесса пастеризации молока, улучшить его качество и сократить потери, сохраняя при этом полезные компоненты продукта (белки, жиры, витамины).

Электропастеризатор А1-ОПЭ-250 с ИК нагревом (рисунок 1.14) возбудителей туберкулеза. Этот аппарат используют на малых молочных фермах. Он состоит из бака-накопителя, насоса, пластинчатого регенератораохладителя. Секции ИК-нагрева представляют собой набор кварцевых трубок, последовательно соединенных металлическими переходниками.

Внутри трубок циркулирует обрабатываемое молоко. На каждой трубке полуавтоматический и автоматический. Техническая характеристика электропастеризатора приведена в таблице 1.2.

Исходный продукт, из уравнительного бака-накопителя с регулятором уровня, центробежным насосом подается в 2-х секционный пластинчатый теплообменный аппарат. Предварительно нагретый за счет тепла отходящего пастеризованного продукта в зоне регенерации продукт, далее направляется непосредственно в секцию инфракрасного нагрева. В ней обрабатываемый нагревателей (в кольцевом зазоре). Войлочнографитовый шнур нагревается за счет электрического тока и становится источником инфракрасного излучения с заданным спектром, а труба, изготовленная из особого кварцевого стекла, позволяет ему без потерь проникнуть вглубь продукта.

теплообменный аппарат для охлаждения. Охлаждение производится в два этапа: предварительное - в секции регенерации теплообменного аппарата входящим потоком исходного холодного продукта; окончательное - в секции охлаждения "ледяной" или артезианской водой по принципу противотока.

автоматизирован, оператор только задает режимы, а пульт управления с Работоспособность и надежность систем управления гарантируется электроавтоматики.

1 - трехходовой клапан; 2 - секция ИК-нагрева; 3 – пластинчатый регенератор-охладитель;

4 – смотровое стекло; 5 - вентиль; 6 – пульт управления; 7 - рама; 8 - трехходовой кран;

Технические характеристики элекропастеризатора А1-ОПЭ- Температура, °С:

электрокотлом ОПЭ-1,0 и ОПЭ-1,5 предназначены для пастеризации молока с одновременным охлаждением (таблица 1.3).

Технологический процесс состоит из следующих последовательных ополаскиванием водой.

С точки зрения снижения потерь энергии ИК излучения надо технологические требования, предъявляемые к аппаратам для обработки молока излучением.

Технические характеристики пастеризационно-охладительных Температура молока, °С:

Давление пара перед приборами регулирования, МПа Потребляемая мощность в режиме пастеризации, кВт Габаритные размеры, мм Существенное значение имеют такие потери энергии излучения из-за его отражения на облучаемой поверхности. Если источники находятся над ней, то для более полного использования потока делают отражатели.

Для создания энергоэффективного ИК пастеризатора, рассмотрим источники ИК нагревателей [24].

Отличительная особенность радиационного подвода тепла прямолинейное распространение излучения. Поэтому при размещении излучателей в аппарате необходимо учитывать форму изделия и особенности технологического процесса.

обработки тонкослойных материалов прямоугольной формы. Если продукт обладает большой проницаемостью в инфракрасной области, то горизонтальный конвейер делают из сплошной металлической ленты.

Инфракрасное излучение нагревает транспортерную ленту, которая в свою очередь отдает тепло продукту. Целесообразно облучать изделие со всех сторон, если это допускает его форма. Наиболее предпочтительно излучение, нормальное к поверхности обрабатываемого продукта. Расположение излучателей снизу, особенно при обработке мясопродуктов, практически неосуществимо в связи с выделением бульона и жира, загрязняющих излучатель и отражатели.

На рис. 1.15, г дана схема излучателя при облучении продукта с четырех сторон под углом 45 градусов к поверхности продукта, Такое расположение излучателей приводит к большим потерям энергии за счет отражений с поверхности, однако при значительной шероховатости продукта величина этих потерь уменьшается за счет многократных отражений. Для продуктов, имеющих форму полуокружности, излучатели располагаются но форме изделия.

Рис. 1.15 - Принципиальные схемы взаимного расположения а - двустороннее облучение, продукт размещен горизонтально; б - продукт облучается на сплошной ленте; в - продукт облучается со всех сторон; г - продукт облучается с четырех сторон; д - продукт облучается по полуокружности; е - двустороннее облучение, продукт размещен вертикально: 1 - транспортирующее устройство; 2 - продукт; 3 – излучатель Для внутренней обшивки аппарата наибольшее распространение находит полированный алюминиевый лист.

При конструировании аппаратов особое внимание следует уделить вопросам создания равномерного лучистого потока по всей поверхности продукта, в противном случае неизбежны местные перегревы и ожоги продукта. В некоторых случаях целесообразно использовать прерывное (импульсное) облучение с чередованием этапов облучения и отлежки продукта, при этом температура обработки продукта снижается.

С точки зрения снижения потерь энергии излучения надо уменьшить поверхности, но при этом необходимо учитывать и технологические требования, предъявляемые к аппаратам для обработки молока излучением.

Существенное значение имеют такие потери энергии излучения из-за его отражения на облучаемой поверхности. Если источники находятся над ней, то для более полного использования потока делают отражатели.

В установках открытого типа без ограничений толщины слоя молока устанавливают ламинарный режим движения продукта, чтобы он не разбрызгивался и не нарушалась нормальная работа установки. При такой обработке доза облучения верхнего слоя значительно больше нижнего. Это снижает эффективность обработки.

благоприятна обработка молока в аппаратах закрытого исполнения особенно с вращающимся диском (е), снижающим толщину слоя молока.

Как показала практика, целесообразно ограничить поперечное сечение способствующий лучшему перемешиванию отдельных слоев. Это позволяет при расчетах пользоваться средними величинами облученности по сечению потока молока, скорости движения и степени отмирания бактерий. В таких аппаратах исключается воздействие на молоко озона воздуха, загрязнение микроорганизмами из окружающей среды и потеря влаги. Помимо этого, соприкасающуюся с молоком.

Если источники разместить внутри потока молока, то обеспечивается наиболее полное использование энергии излучения. Такие установки бывают только закрытыми без ограничения толщины слоя молока и с ограничением.

Устройство с дозирующей камерой (кольцевой канал) имеет несколько меньший диаметр, чем камера облучения. В зоне облучения обеспечивается бесконтактная обработка молока. Расположение лампы в центре кольцевого потока позволяет полнее использовать энергию излучения.

целесообразно размещать между сформированными пластинами /26/. Однако при этом увеличиваются потери энергии, поскольку поглощается теплом и колбами ламп. Источники ИК излучения необходимо заключить в оптически прозрачные чехлы во всех устройствах без ограничения толщины слоя, так как в случае деформации баллона лампы возможно заражение молока.

Поскольку оптические свойства молока зависят от содержания в нем жира, оптимальная доза облучения при неизменной облученности и спектра излучения лампы, а также режиме движения жидкости может быть обеспечена путем изменения толщины слоя. На этом принципе нами разработано устройство с шарообразными рабочими участками кварцевой трубки /32/. Толщина слоя молока меняется в зависимости от диаметра шара и диаметра перемычек. Молоко поступает в аппарат через патрубок подачи и, проходя рабочую камеру, облучается.

Размер аппарата обуславливает длина источника, а зону облучения – длина светящейся части лампы. При увеличении зоны облучения (без изменения длины светящейся части лампы) повышается скорость движения потока молока и улучшается качество его обработки.

В данном случае интенсифицируются движение потока молока и эффективность облучения благодаря хорошему перемешиванию.

Для лучшего понимания процесса ИК пастеризации, необходимо изучить основные закономерности воздействия ИК излучения на объект облучения.

В результате патентного поиска было найдено множество вариантов конструкции ИК пастеризаторов, с различными излучателями, способов пастеризации, а также конструкций ИК излучателей. Среди них хотелось бы отметить ИК излучатели проточного типа, так как они являются самыми распространёнными.

Рассмотрим подробнее наиболее перспективные научные разработки.

За последние годы, основной упор инженеров-исследователей был направлен на разработку конструкций ИК пастеризаторов с использованием классических генераторов ИК излучения – ламп. В устройстве для обеззараживания текучих сред [77] показано использование таких типов излучателей (рис. 1.16).

Устройство относится к области обеззараживания текучих сред источниками бактерицидных лучей путем подавления жизнедеятельности опасных для здоровья человека микроорганизмов и может быть использовано в сфере пищевой промышленности и медицины для обеззараживания пищевых и иных текучих сред. Устройство содержит входной и выходной патрубки, корпус с торцевыми фланцевыми элементами, заключенные в нем сообщающиеся между собой цилиндрообразные камеры облучения снабженные коаксиально установленными в них лампами бактерицидного излучения в прозрачных для излучения чехлах, причем камеры облучения размещены одна за другой с определенным интервалом. Камеры сообщаются между собой посредством щелевидных сквозных проемов. Устройство также снабжено перегородками, которые укреплены в области сообщения камер между торцевыми фланцевыми элементами встык между чехлами соседних ламп вдоль них. Перегородки расположены по ходу плоскости, пролегающей с включением осевых линий камер, параллельных друг другу, и делящей рабочее пространство устройства пополам, образуя тем самым пары полукамер, расположенных симметрично.

Каждая из полукамер снабжена своим патрубком, один из которых служит входным патрубком устройства, а другой - выходным, оболочки камер облучения совокупно составляют с плавными переходами в зонах сообщения камер общую оболочку ламп устройства, служащую корпусом, внутренняя поверхность которого является отражающей для излучения ламп.

Внутренняя поверхность корпуса, в том числе, с нанесенным покрытием, выполнена для отражения излучения от ламп.

Рис. 1.16 - Устройство для обеззараживания текучих сред:

1 - корпус, 2 - торцевой фланцевый элемент, 3 - патрубок (входной), 4 - патрубок (выходной), 5 - лампа бактерицидного излучения, 6 - чехол лампы, Недостатком данной конструкции является использование в качестве нагрева, только ИК излучатели, без дополнительного энергоподвода, что влечет к большим энергозатратам.

предлагается использование ламп УФ-излучения (рис. 1.17).

смонтирован ряд кассет с лампами УФ-излучения. Между каждыми двумя кассетами установлены плоские реакторы, выполненные в виде плоской кварцевой трубы, шириной не более 1 мм, полость которой совмещена с входным и выходным резервуарами. Причем выходной резервуар соединен патрубком с входным резервуаром следующего в ряду реактора, а входной резервуар первого реактора соединен с магистралью подачи молока, а выходной резервуар последнего - с магистралью асептической расфасовки.

Рис. 1.17 - Устройство для получения стерилизованного молока:

1 - герметичный корпус реакторов; 2- кассеты; 3 - бактерицидная лампа УФ-излучения;

4 -плоские кварцевые реакторы; 5, 6 – выходной/входной резервуар; 7 – трубопровод;

8, 9 – входной/выходной патрубок; 10 – экран, отражающий УФ-излучение;

11 – вентилятор; 12 – фильтр озона; 13 – гомогенизатор;

Эффективное проникновение УФ-излучения в молоко возможно на небольшую глубину, до 0,1 мм, поэтому возникают трудности реализации этой идеи, которые препятствуют широкому использованию стерилизации молока УФ-излучением в промышленности, а обработка молока УФизлучением за один цикл приводит к увеличению габаритов установки и снижению ее производительности.

проводится за несколько циклов при перемешивании между циклами, что позволяет набрать необходимую для разрушения ДНК бактерий дозу УФизлучения - 40 мДж, а перемешивание позволяет каждый раз обрабатывать новый слой молока, и таким образом, надежно стерилизовать все молоко.

Количество циклов определяется опытным путем. Кроме того, обработку молока УФ-излучением следует проводить в герметичных кварцевых эффективной длиной волны 254 нм в окружающем воздухе неизбежно (прокисанию) молока.

Данный способ предлагает использовать УФ-излучение молока в тонком слое, что ведет к большим габаритам пастеризационных установок, перерабатывающих предприятиях и фермах.

При дозах УФ-излучения, обеспечивающих 99% обеззараживания, наблюдается изменение вкуса молока; оно приобретает слабый привкус пастеризованного молока. Таким образом, не обеспечивается сохранность вкусовых качеств молока.

Следующая разработка призвана совместить в себе преимущества ИК и УФ-излучения.

ультрафиолетовым излучением в тонком слое [82] содержит первичный теплообменник-рекуператор, расходомер и устройство ультрафиолетового излучения, при этом расходомер и устройство ультрафиолетового излучения установлены с помощью соединительных муфт в разрез трубопровода формирователем тонкого слоя, а теплообменник выполнен вторичным ультрафиолетового излучения позволяет обеззараживать воду, которой заполняют систему для технологической промывки оборудования установки, а также при смене одного типа продукта на другой. Использование энергетических затрат на 10-15%. Установка расходомера совместно с циркуляционным насосом подачи продукта определяет заданный поток жидкости в системе, что существенно упрощает формирование тонкого слоя в рабочем цилиндре и, как следствие, повышает качество обработки пищевого продукта. Это позволяет обеспечить длительную сохранность продукта без снижения питательных и вкусовых свойств.

Сущность изобретения поясняется чертежом (рис. 1.18), на котором представлена функционально-технологическая схема работы установки для обработки жидкости инфракрасным и ультрафиолетовым излучением в тонком слое.

Рис. 1.18 - Установка для обработки жидкости инфракрасным и ультрафиолетовым 1 - первичный теплообменник-рекуператор; 2 - трехходовой кран; 3 - приемный бак;

4 - устройство УФ-излучения; 5 – расходомер; 6 - патрубок для подвода жидкости;

7 – приемная камера, формирующая тонкий слой; 8 - камера пастеризации;

9 - ИК-излучатель; 10 - компенсационная камера; 11 - патрубок отвода продукта;

12 – термодатчик; 13, 17 - циркуляционный насос; 14, 16 - трубопровод выдачи продукта;

Однако, конструкция установки с ИК и УФ энергоподводом вобрала в себя, как все преимущества, так и недостатки конструкций рассмотренных ранее.

электропастеризатор для жидких пищевых продуктов, разработанный НПО «Мир» [75].

Пастеризатор (рис. 1.19) содержит секцию ИК-нагрева, буферную емкость, насос, регенератор и охладитель, коммуникации обрабатываемой жидкости между выходом из секции ИК - нагрева и входом в охладитель.

Рис. 1.19. – Технологическая схема электропастеризатора:

1 - секция ИК-нагрева; 2 - бак-накопитель; 3 – регенератор; 4 – охладитель; 5 – насос;

6 - коммуникации обрабатываемой жидкости; 7 - коммуникации охлаждающей воды;

Секция ИК - нагрева представляет собой пучок кварцевых трубок с намотанной на поверхности трубок и зафиксированной теплоизоляцией, имеющая отражающую внутреннюю поверхность (рис. 1.20).

На входе в секцию ИК - нагрева установлены пульсатор и завихритель потока обрабатываемой жидкости (рис. 1.21).

Для равномерности нагрева жидкости кварцевых трубок шаг намотки спирали увеличивается от концов трубок к середине.

Установка имеет гидроарматуру, систему управления и регулирования процессом (не указана на схеме).

Рисунок 1.20 – Кварцевая трубка нагревателем секции ИК - нагрева:

9 – кварцевая трубка; 10 – электрическая спираль; 11 – теплоизоляция;

Данный электропастеризатор широко распространен среди малых перерабатывающих предприятий и фермерских хозяйств. Недостатком данного электропастеризатора является высокие энергозатраты.

В пищевой промышленности широко распространены трубчатые излучатели. Их большим недостатком является то, что излучение от таких ламп не используется полностью. С целью повышения плотности лучистой энергии используют различные отражатели. Так, в установке для УФ облучения жидкостей [1] показан один из вариантов применения отражателей (рис. 1.22).

Рисунок 1.22 – Схема установки с ребристой рабочей поверхностью:

1 – корпус с входным и выходными патрубками, вертикально установленной ребристой поверхностью; 2 – распределители жидкости; 3 – источники излучения, расположенных с каждой стороны; 4 – направляющие; 5 – механизм для фиксации; 6 – бак-накопитель;

7 – продуктопровод; 8 – насадки; 9 – пленкообразователь; 10 – приемный лоток;

регулировать нахождение жидкости в зоне облучения и определять оптимальные дозы ее облучения, чем достигается высокое качество и биологическая стойкость обрабатываемого продукта.

При конструировании аппаратов особое внимание следует уделить вопросам создания равномерного лучистого потока по всей поверхности продукта, изменению в широком диапазоне мощности потока, в зависимости от вида обрабатываемого продукта. В противном случае неизбежны местные перегревы и ожоги продукта.

Анализ многих научных работ привел нас к технологии создания ИК излучателей, путем нанесения тонким слоем электропроводящего состава на стеклянную поверхность.

Данная технология практически не использовалась, в виду не изученности технологии нанесения тонких металлических пленок и их спектральных характеристиках.

излучателя и способ получения покрытия на поверхности инфракрасного излучателя [76].

Задачей данного изобретения, касающегося покрытия поверхности инфракрасного (ИК) излучателя, является повышение его долговечности за негигроскопичным, не влияющим на спектральные характеристики излучающей компоненты покрытия.

В отношении способа нанесения покрытия на поверхность излучателя задачей является создание равномерного покрытия, снижение его потерь при нанесении, упрощение процесса нанесения.

В известном способе нанесения покрытия на поверхность ИКизлучателя путем приготовления покрытия, содержащего оксидную керамику, и создания слоя из него на поверхности корпуса излучателя предлагается готовить покрытие смешиванием керамики, в качестве которой используют керамику на основе хромитов РЗЭ, железа или диоксида циркония, порошкообразного наполнителя, выбранного из ряда, включающего окислы титана, алюминия, магния, кремния, цинка, железа, полиорганосилоксаны, и растворителя, выбранного из ряда, включающего низшие спирты С1-С4, ацетон, бензол, толуол, этилкарбитол, уайт-спирит и этилцеллозольв, а создание слоя осуществляют путем нанесения состава на поверхность, после чего покрытие на поверхности излучателя подвергают термической обработке при температуре 50-600 °С.

Связующее и растворитель желательно подавать на смешивание в качестве предварительно приготовленного раствора с концентрацией 15-50 %.

Степень влияния каждого из признаков изобретения, то есть качественного и количественного состава покрытия, на достижение указанного результата не может быть определена с достаточной точностью теоретически. Состав покрытия подобран экспериментальным методом многочисленных проб. Тем не менее установлено, что такой состав обеспечивает все вышеуказанные эффекты - негигроскопичность, надежность и долговечность покрытия при работе за счет повышения адгезии, влагоустойчивости и прочности покрытия при сохранении спектральных свойств излучающей компоненты покрытия.

Покрытие представляет собой пленку, имеющую хорошее слипание с поверхностью корпуса излучателя независимо от материала последнего (кварц, керамика, металл).

керамики на основе хромитов РЗЭ, железа или двуокиси циркония, а также материала добавки, выбранного из ряда, включающего окись титана, алюминия, магния, кремния, цинка, железа. Используемую в качестве подвергают помолу, приготовляя сначала шихту, а затем шликер.

Приготовленные компоненты покрытия смешивают и наносят на поверхность излучателя, представляющего собой трубку из кварца, керамики или металла, галогеновую лампу или термоэлектронагреватель. Через торцевые изоляторы корпуса излучателя в виде трубок проходят выводы электронагревателя, к которым подводят напряжение.

Задача повышения долговечности покрытия решена не только за счет приготовленный раствор, указанного режима сушки, что в совокупности делает покрытие негигроскопичным. Долговечность покрытия повышается исключением циклов капиллярной конденсации влаги в порах, отсутствием трещин на поверхности покрытия. Улучшены спектральные характеристики образующимся в порах при включении нагревателя. Описанным способом термоэлектронагреватели, трубки из кварца, керамики, металла.

Таким образом данное изобретение может быть широко применено в пищевой промышленности, химической, медицине и технике эксперимента.

Одним из способов снижения температуры обработки продукта, чередованием этапов облучения и отлежки продукта.

Данный способ импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов рассмотрен на примере следующего патента [80].

Изобретение относится к способу импульсной инфракрасной сушки термолабильных материалов (семян различных с.х. культур, нарезанных микробиологических материалов и т.д.).

Целями описанного изобретения является повышение качества высушиваемого продукта и уменьшение энергозатрат на проведение сушки.

определяется предельная температура сушки материала. Она может быть экспериментальных данных опытным путем непосредственно перед началом сушки или из известных источников (справочников, словарей и т.п.).

Материал, подвергаемый сушке, предварительно подготавливают путем мойки, измельчения, формирования слоя раскладыванием на сетчатый поддон, который устанавливают в корпус сушильного шкафа, и далее сушат путем облучения ИК-лучами в импульсном режиме «нагрев-охлаждение». На температуры нагрева материала в процессе сушки, включают ИК-излучатели, которые установлены в отражателе, включают вентилятор для обдувки слоя.

Сушку ведут в осциллирующем режиме «нагрев-охлаждение», при этом нагрев осуществляют ИК-лучами с длиной волны в диапазоне 0,8-10 мкм до заданной конечной влажности, а контроль температуры материала осуществляют с помощью оптического пирометра, который сигналом на блок управления периодически автоматически отключает ИКизлучатели при достижении предельной температуры материала в диапазоне 40-60 °С, а охлаждение ведут до достижения минимальной температуры материала, равной 25-35 °С. Для ускорения охлаждения материала и ускорения удаления испаренной влаги используется вентилятор, который создает воздушный поток над высушиваемым материалом. При достижении температуры материала 25-35 °С пирометр дает сигнал на блок управления, который включает ИК-излучатели. Так циклы продолжаются до достижения требуемой конечной влажности материала.

Характерной особенностью данного способа сушки является переменный по времени цикл «нагрев-охлаждение» с переменными в нем составляющими стадий нагрева и охлаждения. Этот режим достигается тем, что температура материала отслеживается бесконтактным пирометром и по достижении заданных значений максимальной и минимальной температур материала посредством регулирующего устройства осуществляется включение и отключение инфракрасных излучателей, при этом температура обработки продукта снижается, что положительно влияет на качество готового продукта.

На основании рассмотренных выше патентов можно сделать вывод, о том, что развитие ИК пастеризаторов осуществляется в направлении повышения качества обрабатываемого продукта, путем снижения времени на его обработку, модульности нагревателей, подбора излучателей с оптимальным диапазоном длин волн, увеличения КПД пастеризаторов, использующих ИК излучение.

1.5. Исследование основных закономерностей воздействия При прохождении оптического излучения через жидкие среды происходит непрерывное уменьшение его интенсивности в направлении распространения излучения [62]. Ослабление потока монохроматического излучения ( ) в каждом из отдельных слоев однородной среды будет иметь одинаковое значение [16]:

Каждый слой одинаковой толщины поглощает равную долю от входящего в него потока излучения, т.е.:

В соответствии с законом сохранения энергии падающий на поверхность вещества поток излучения характеризуется суммой его составляющих:

А оптические свойства, соответствующим им коэффициентам:

Имея функцию распределения источника излучения по спектру ( ) и зная спектральные коэффициенты пропускания молока пропущенного интегрального потока Фпр определяется уравнением:

где и - границы длин волн спектра излучения источника.

В процессе облучения отраженный поток излучения является прямой потерей энергии. В общем виде отраженный поток может быть представлен выражением:

Молоко имеет сложный диффузно направленный характер отражения:

неоднородностей, направленная(зеркальная) – от поверхности жидкости. При известных значениях спектральных коэффициентов ( )зер и ( )диф потоки зеркального и диффузного отражений могут быть определены аналогично уравнению (1.6).

Известно, что на обрабатываемое вещество воздействует только электромагнитных колебаний ИК участка спектра частично или полностью трансформируются в тепло. Поглощенный поток излучения определяется, при известных значениях спектрального коэффициента поглощения уравнением:

спектральный ( ) можно определить из выражения (1.4):

( ) соответственно из выражения (1.8).

Поглощение ИК излучения молоком определяется в основном молекулами воды Фпог в, а также другими компонентами Фпог к, и микроорганизмами молока Фпог м. Составляющая поглощенного потока с учетом того, что основная часть поглощенной энергии ИК излучения превращается в тепло, может быть представлена в следующем виде:

микроорганизмами, пастеризация молока будет происходить благодаря непосредственному на них воздействию. В этом случае, основная роль спектральных коэффициентов поглощения излучения микроорганизмами ( )м, составляющая поглощенного потока может быть определена по формуле аналогично (2.7), но вместо микроорганизмов в чистом виде, но эти значения будут неточными в связи с различием спектральных коэффициентов поглощения в чистом виде компонентов и в смеси. Следовательно, при обработке молока ИК поглощенному потоку Фпог ик, учитывая мутность среды.

1.6. Формулирование идеи и обоснование технического решения В последние годы разработан ряд, как малой, так и большой производительности экономичных пастеризаторов молока, пива, вина, соков, сливок, меланжа и других жидких и вязких пищевых продуктов, применение которых гарантирует потребителю большую экономическую выгоду. Одним из ярких направлений развития пастеризации является ИК – нагрев.

Т.е. традиционный эффект теплового воздействия, при котором идет процесс пастеризации, усиливается дополнительно инфракрасным излучением, обеспечивающим полное обеззараживание продукта.

Применение установок с ИК нагревом позволяет отказаться от энергоёмкого оборудования, потребляющего воду, пар, используемых в паровых пастеризационных установках и тем самым адаптировать их к использованию на малых перерабатывающих предприятиях [8].

Цель работы – совершенствование процесса пастеризации молока в установке с ИК нагревательными элементами, в условиях производства его на фермерских и личных подсобных хозяйствах. В соответствии с этим необходимо было решить следующие задачи исследования:

изучить гидродинамику движения жидкости в рабочей полости ИК нагревательных элементов пастеризационной установки, а также изменения биологических свойств молока в процессе его обработки;

исследовать оптические характеристики молока;

усовершенствовать конструкцию пастеризационной установки и определить степень воздействия на молоко ИК излучения;

провести исследования процесса работы пастеризационной установки с ИК нагревательными элементами, обосновать основные параметры, режимы работы;

разработать математическую модель процесса пастеризации молока в поле ИК-излучения и методику расчета ИК нагревательных элементов;

провести технико-экономическую оценку эффективности применения разработанной установки.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МОЛОКА

КАК ОБЪЕКТА ИК ПАСТЕРИЗАЦИИ

Исследование свойств молока, применительно к ИК пастеризации предполагает изучение его физико-механических, гидродинамических и оптических свойств, необходимых, как для обоснованного выбора эффективных технических средств обработки продукта ИК излучением, так и для последующей оптимизации процесса ИК пастеризации.

2.1. Методика и результаты исследования плотности и вязкости молока Реологические характеристики необходимо учитывать при переходе и перетекании жидкостей по трубам, через отверстия и т. д. Знание вязкости полупродуктов производства, поскольку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов [71, 72, 73].

Молоко представляет собой сложную систему, в которой сухие вещества растворены в воде, жир находится в состоянии эмульсии, белки – в коллоидной фазе, а молочный сахар и соли образуют молекулярную и ионную фазы. При динамическом и тепловом воздействии на него в пастеризационной установке с ИК нагревательными элементами происходит не только изменение состава и структуры молока, но и его физикомеханических свойств.

Методика определения плотности отражена в ГОСТ Р 54758-2011, и была нами применена. Метод основан на определении объема вытесненной жидкости и массы плавающего в ней ареометра.

Эксперимент проводили следующим образом. Отобранное молоко в цилиндре, 500см3 тщательно перемешали, установили на плоский ИК нагревательный элемент, горизонтально. Далее происходит попеременное измерение плотности и температуры, опуская в цилиндр с продуктом, сначала термометр, а затем ареометр типа АМ. Между измерениями, на плоский ИК нагревательный элемент подавалось напряжение для создания потока ИК излучения, которое нагревало продукт через дно цилиндра. Для равномерного нагрева производилось перемешивание.

Рис. 2.1 - Зависимость плотности р молока от температуры t их нагрева:

1 – молоко жирностью 3,8 %; 2 – молоко жирностью 6,8 %;

Плотность охлажденного до 5 °С молока составляла 1032 кг/м 3 и постепенно снижалась по мере его нагрева (рис. 2.1) На графике представлены данные о влиянии температуры нагрева молока ИК излучением на плотность воды, молока жирностью 2,5 %, 3,8 % и 6,8 %. Из графика видно, что плотность воды в пределах исследуемых температур практически не меняется. Снижение ее составляет лишь 1,6 %, в то время как плотность молока жирностью 2,5 % снижается на 5,4 %, молока жирностью 3,8 % на 4,9 %, а молока жирностью 6,8 % - на 4,5 %. Снижение плотности молока при его нагреве объясняется увеличением объема молока из-за денатурации белков, изменении в солевом составе его и разжижении жировых шариков. Плотность молока в пределах температур пастеризации (60…80 °С) составляет округленно 1000 кг/м3. Более существенно при нагревании изменяется кинематическая вязкость молока (рис. 2.2).



Pages:   || 2 | 3 |
 
Похожие работы:

«Шарипова Татьяна Викторовна ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МЯСОРАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ДЛЯ ГЕРОДИЕТИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ Специальность 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : доктор...»

«МАКСЮТОВ РУСЛАН РИНАТОВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА ЙОДОБОГАЩЁННЫХ КУМЫСНЫХ НАПИТКОВ С ИНУЛИНОМ 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания (технические наук и) Диссертация на соискание...»

«БУРЦЕВА ЕЛЕНА ИГОРЕВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЕЧЕНОЧНО-РАСТИТЕЛЬНОЙ КУЛИНАРНОЙ ПРОДУКЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«КОСТИН АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ РАЗРАБОТКА, ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И БЕЗОПАСНОСТИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ ПРОБИОТИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 05.18.15 – Техноогия и товароведение пищевых продуктов и функционаьного и специаизированного назначения и общественного питания...»

«ЧЕЧКО СВЕТЛАНА ГЕННАДЬЕВНА ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВЛЕНЫХ СЫРНЫХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ НИЗКОЖИРНОГО ТВОРОГА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИКОРАСТУЩЕГО СЫРЬЯ Специальность: 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств...»

«БОНДАКОВА МАРИНА ВАЛЕРЬЕВНА РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТУРЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КОСМЕТИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСТРАКТА ВИНОГРАДА Специальность 05.18.06 – Технология жиров, эфирных масел и парфюмерно-косметических продуктов (технические наук и) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук...»

«ПАХОМОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА РАЗРАБОТКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПИЩЕВОГО ОБОГАТИТЕЛЯ ИЗ ЖМЫХА РАПСОВОГО Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук...»

«ИВАНОВ ИВАН ВАСИЛЬЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЧИПСОВ ИЗ МЯСА ПТИЦЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВАКУУМНОЙ ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ Специальность: 05.18.04 – технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : доктор технических наук, проф. Г.В....»

«ВАСИЛЬЕВА ИРИНА ОЛЕГОВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МЯСНОГО ПРОДУКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО КОЛЛАГЕНА И МИНОРНОГО НУТРИЕНТА 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов и биологических...»

«ИГОЛИНСКАЯ ОЛЬГА АНДРЕЕВНА УСТАНОВЛЕНИЕ ПОДЛИННОСТИ СТОЛОВЫХ ВИН ПОСРЕДСТВОМ ОБНАРУЖЕНИЯ В НИХ СОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания...»

«БАБЕНКО МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА В ПОЛЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.18.12 - ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук...»

«ВОЛОТКА ФЁДОР БОРИСОВИЧ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЫБНЫХ ФОРМОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ РЫБ ПРИБРЕЖНОГО ЛОВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПИВНОЙ ДРОБИНЫ Специальность 05.18.04 Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на...»

«СУХОРУКОВ ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СМЕСИТЕЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ОРГАНИЗАЦИЕЙ НАПРАВЛЕННОГО ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ 05.18.12 Процессы и аппараты пищевых производств Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : кандидат технических наук, доцент Бородулин Дмитрий Михайлович...»

«КАЙМБАЕВА ЛЕЙЛА АМАНГЕЛЬДИНОВНА НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МЯСА И ПРОДУКТОВ УБОЯ МАРАЛОВ Специальность: 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант : доктор технических наук, профессор Узаков Я.М. Улан-Удэ - СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 1.1...»

«ДЬЯКОНЕНКО Анна Николаевна ФОРМИРОВАНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ПРОДОВОЛЬСТВЕННЫХ ТОВАРОВ, СОДЕРЖАЩИХ ЯЙЦЕПРОДУКТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ ПУТЕМ ГЛУБОКОЙ ПЕРЕРБОТКИ КУРИНОГО ЯЙЦА Специальность: 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания...»

«КОРЖОВ ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ ТЕКСТУРАТОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ Специальности: 05.18.01-Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодовоовощной продукции и виноградарства 05.18.04-Технология мясных,...»

«АПЁНЫШЕВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЯГКИХ КИСЛОТНОСЫЧУЖНЫХ СЫРНЫХ ПРОДУКТОВ С РАСТИТЕЛЬНЫМ ЖИРОМ Специальность: 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических...»

«СИДЯКИН МАКСИМ ЭДУАРДОВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭТАНОЛА ИЗ ВОЗВРАТНЫХ ОТХОДОВ ХЛЕБОПЕКАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : д.т.н., проф. Л.Н. Крикунова Москва –...»

«Цибизова Мария Евгеньевна НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ И МЕТОДОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ВОДНЫХ БИОЛОГИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ ВОЛЖСКОКАСПИЙСКОГО РЫБОХОЗЯЙСТВЕННОГО БАССЕЙНА 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук научный консультант д-р техн. наук Боева Н.П. Астрахань – 2014 2 Содержание Введение.. ГЛАВА 1. Анализ состояния...»

«Ткаченко Дмитрий Геннадьевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ВИН ТИПА ХЕРЕС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НОВОЙ РАСЫ ДРОЖЖЕЙ КУБАНСКАЯ, ВЫДЕЛЕННОЙ ИЗ СПОНТАННОЙ МИКРОФЛОРЫ Специальность 05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.