CC BY
6
Микроволновые технологии интенсификации пищевого производства Сообщение 2. Конвейерная технология обеззараживания пивной дробины низкоинтенсивным электромагнитным полем миллиметрового
диапазона
П.П. Крыницкий
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева, Казань
Аннотация: По методике научно-исследовательского центра прикладной электродинамики (НИЦ ПРЭ) КНИТУ им. А.Н. Туполева (г. Казань) разработана экологически чистая и экономически оправданная конвейерная микроволновая технология деконтаминации сухой пивной дробины, позволяющая поднять хранимоспособность до требуемых производством сроков. Это обеспечивает возможность ее дальнейшего использования для нужд животноводства и способствует повышению экологической и технологической эффективности как пивоваренного, так и животноводческого производства.
Ключевые слова: крайне высокие частоты, КВЧ, микроволновые технологии, пивная дробина, деконтаминация.
Введение
Одним из традиционных направлений повышения производительности труда в сельскохозяйственном секторе экономики и пищевой промышленности является применение интенсивных химических, физических и(или) физико-химических методов воздействия на используемое сырье и(или) конечные биотехнологические продукты [1-2]. Однако эти методы, как правило, не являются щадящими и(или) чисто каталитическими по механизмам своего действия [2].
Альтернативой являются физические методы воздействия, результаты которых не накапливаются в продукте и не нарушают его строения ни на макроскопическом, ни на наноразмерном уровне. И одним из подобных эффективных средств воздействия на метаболизм микроорганизмов и регулирования их активности является электромагнитное поле крайне высоких частот (ЭМП КВЧ) или миллиметрового диапазона длин волн нетепловой интенсивности [3], [8-11]. При этом практическое освоение
микроволновых технологий требует, прежде всего, создания эффективного и экономичного оборудования.
Использование низкоинтенсивного электромагнитного поля миллиметрового диапазона для обеззараживания пивной дробины
В настоящее время в качестве корма для животных часто используется пивная дробина [4-5]. Она содержит большое количество питательных веществ и полезных микроэлементов. При этом ее использование в составе комбикормовых смесей позволяет попутно решать экологические проблемы, связанные с утилизацией отходов крупнотоннажных пивоваренных производств [4-5]. Однако пивная дробина обладает низкой хранимоспособностью [4-5], и поэтому вопросы снижения микробной контаминации, а, следовательно, увеличения сроков ее хранения, представляются крайне важными.
В настоящее время для повышения хранимоспособности влажную пивную дробину, получаемую при производстве пива, подвергают высушиванию до влажности 7-9%, обеспечивающей ее длительное хранение [6]. Заводами по производству комбикормов нормируется срок хранения пивной дробины в 6 месяцев. Вместе с тем порча за счет развития микробных инфекций начинает проявляться уже через месяц-полтора. Решить эту проблему позволяет дополнительная обработка ЭМП КВЧ. Такая обработка позволяет целевым образом уничтожать только микроорганизмы, не оказывая влияния на химический состав. Это обеспечивает сохранность ее пищевой и биологической ценности, и в конечном итоге на основе обработанной пивной дробины удается получать комбикормовый продукт более высокого качества.
В таблице 1 представлены данные, характеризующие влияние частоты и времени экспозиции на общую микробную обсемененность исследуемого объекта, которая и явилась основным показателем качества микроволновой
2
обработки пивной дробины. Частоты и интенсивность ЭМП (300 мкВт/см ) выбраны из литературных и полученных нами данных для процессов ингибирования микробиологических процессов [3].
Таблица № 1
Влияние параметров ЭМП на общую микробную обсемененность пивной дробины при N = 300 мкВт/см
Частота, ГГц К0Е103 Время (мин) К0Е103
при т =20 мин на 1 г пивной экспозиции т на 1 г пивной
дробины при 64,8 ГГц дробины
58,0 6,4±0,5 контроль 66±3
59,0 4,4±0,4 1 2,8±0,3
60,5 4,3±0,3 2 6,2±0,4
61,0 4,1±0,4 3 7,5±0,3
61,2 4,0±0,3 5 8,0±0,4
61,6 3,8±0,3 10 11,1±0,6
63,6 3,9±0,4 15 4,1±0,3
64,0 4,0±0,4 20 2,8±0,5
64,8 2,8±0,5 30 2,8±0,4
66,4 4,5±0,4 40 5,9±0,4
Как видно из таблицы 1, ЭМП КВЧ эффективно подавляет активность микроорганизмов по сравнению с контролем. При этом максимальный эффект снижения общей микробной обсемененности наблюдается при воздействии ЭМП КВЧ в течение 1 мин. и в интервале от 20 до 40 минут.
Однако наиболее надежным, то есть слабо меняющимся относительно ближайших к нему соседних величин, нам представляется выбор именно значения т = 20 минут в качестве режимного времени экспозиции.
В свою очередь, интенсивность ингибирующего ЭМП также существенно сказывается на эффективности процесса ЭМО (электромагнитной обработки).
Из Б - образной зависимости КОЕ от интенсивности ЭМП (рис.1) следует, что порог эффективности ЭМО пивной дробины начинается с N ~
100 мкВт/см2 (падение КОЕ почти в 3 раза), но становится близким к
2
минимуму и постоянным в области значений N ~ 200 - 250 мкВт/см .
мкВт/С«
Рисунок 1. Влияние интенсивности ЭМП на эффективность ЭМО пивной дробины (общую микробную обсемененность) на частоте 64,8 ГГц при т = 20 мин.;---контрольный уровень.
Таким образом, оптимальными параметрами микроволнового режима обработки являются: частота 64,8 ГГц, длительность - 20 минут, расстояние от рупора до культуры (чашки Петри диаметром до 10 см с обрабатываемой средой высотой 1 - 2 мм) - 15 см, удельная мощность ЭМП - 250 мкВт/см
Технологическая схема конвейерной электромагнитной обработки
пивной дробины
Существует ряд разработок схем электромагнитной обработки диамагнитных органических продуктов [6], учитывающие их природу и специфику восприятия электромагнитного поля.
По аналогии с ними предлагаемая принципиальная технологическая схема поточной электромагнитной обработки любого крупнотоннажного биотехнологического объекта (в том числе и пивной дробины) (рис. 2) включает в себя: мерник для исходного продукта (в данном случае - пивной дробины - (1)), сборник готового (обработанного) продукта - бункера (5), между ними - транспортер (4), генератор миллиметрового поля (6) и сопряженные с ними антенно-фидерное устройство ((2) + (3)) и защитный экран (корпус) (2).
Рис. 2. Технологическая схема для конвейерной электромагнитной обработки твердофазного биотехнологического продукта (пивной дробины, и т.п.); перечень потоков: 28 - пивная дробина, 29 - обработанная пивная дробина.
Скорость движения конвейерной ленты и, соответственно, подачи сырья, определяется временем его электромагнитной обработки при выбранной геометрии и конструкции антенно-фидерного устройства (АФУ) и(или) режима его работы при заданной толщине обрабатываемого поверхностного слоя.
В качестве примера рассмотрим ориентировочные технические характеристики технологического комплекса на основе серийного генератора электромагнитного поля ЭМИ Г4 - 142 (Россия):
- объем рабочей камеры (мерника) - 500 л;
- минимальная загрузка сырья при КВЧ обработке - 20 л;
- максимальная загрузка - 400 л;
- время КВЧ - обработки - от 20 до 40 минут;
- потребляемая мощность при КВЧ обработке - менее 100 Вт
(общая потребляемая мощность определяется выбором типа конвейера и другого механического оборудования);
- электропитание - 220 В, 50Гц;
- диапазон рабочих температур - от -5 до +45°С;
- относительная влажность - до 80 % при температуре 25°С;
- рекомендуемые габариты установки: длина - ориентировочно 5 ^ 10 м (определяется временем обработки, то есть скоростью движения конвейера и параметрами АФУ), ширина - порядка 1 м, высота зависит от расстояния между рупором или АФУ и конвейерной лентой, а также от высоты последней над полом;
- масса установки - 50 ^ 70 кг (в зависимости от длины установки и соответствующих размеров АФУ).
Необходимый минимум стоимости технологической оснастки (соответствующего стандартного оборудования) показан в табл. 1. На основе этих исходных данных проведен технико-экономический анализ внедрения электромагнитной обработки в подготовку пивной дробины к длительному хранению на основе отечественной элементной базы.
При расчете экономической эффективности проекта мы исходили из того, что оборудование устанавливается на уже существующем
производстве, поэтому не предполагаются дополнительные затраты на помещение, а обслуживание конвейерной установки требует дополнительного привлечения не более одного работника.
Таблица. 2.
Технико-экономический состав оборудования
№ п/п Наименование Кол- Цена,
элемента оборудования во тыс. руб.
1 Мерник 1 120
2 Антенна 1 25
3 Фидер (волновод) 1 30
4 Транспортер 1 130
5 Бункер 1 250
6 Генератор ЭМП КВЧ 1 40
Расчет произведен по методикам, изложенным в [7]. В ходе расчета подсчитывался эффект от инвестиционной, финансовой, операционной деятельности по годам в течение первых 5 лет эксплуатации.
В результате были получены следующие основные показатели инвестиционного проекта:
Чистая приведенная стоимость 1 839 687,09 р.
Индекс рентабельности 4,09
Внутренняя норма доходности 1,24
Срок окупаемости 1 год
Они позволяют сделать вывод о высокой экономической эффективности проекта и быстрой окупаемости первоначальных инвестиций.
Литература
1. Бурлакова Е.Б. Действие сверхмалых доз биологически активных веществ и низкоинтенсивных физических факторов // Хим. физика, 2003, Т. 22. № 2 С. 21-40.
2. Нефедов Е.И. Взаимодействие физических полей с биологическими объектами // Тула, изд-во ТулГУ. 2005. 344 с.
3. Матисон В.А. Повышение стабильности пива и безалкогольных напитков путем применения микроволновой пастеризации. / Пивоваренная и безалкогольная промышленность. Обзорная информация. Сер. 22. - Вып. 2-3. // М.: АгроНИИТЭИПП, 1993. С.1-47.
4. Данченко, О.С. Рациональное использование отходов пивоваренного производства // Информационный обзор. - Минск, 1970. - 86с.
5. Сницарь А.И. О перспективах использования пивной дробины // Мясная индустрия. 2000. №10. С.38-39.
6. Сницарь А.И. Обоснование работы и экономической эффективности линии производства муки из пивной дробины // Вестник "Аромарос-М". 2004. №1. С.44-48.
7. Стрекалова, Н.Д. Бизнес-планирование: Учебное пособие. СПб.: Питер, 2012. 352 с.
8. Веденькин Д.А., Халиков А.З., Хабибуллин Р.Р. Модель конвейерного способа переработки веществ при помощи СВЧ-нагрева // Инженерный вестник Дона, 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4989
9. Васильев А.Н., Будников Д.А., Васильев А.А. Компьютерная модель тепло - влагообмена в зерновом слое при СВЧ - конвективном воздействии // Инженерный вестник Дона, 2017, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2017/4310
10. E.M. Grant. Jangue's, Thuery. Microwave Industrial, Scientific and Medical Applications // Larstin Arteda House: Boston, London, 1992. - 670 р.
11. Usatii A. The influence of low intensity millimeter waves on the multiplication and biosynthetic activity of Saccharomyces carlsbergensis
CNMN-Y-15 YEAST // Annals of the University of Oradea-Faculty of Biology. Romania. № 17. 2010. pp. 208-212.
References
1. Burlakova, E.B. Xim. fizika, 2003, V. 22. № 2 pp. 21-40.
2. Nefedov, E.I. Vzaimodejstvie fizicheskix polej s biologicheskimi ob''ektami. [Interaction of physical fields with biological objects]. Tula. izd-vo TulGU. 2005. 344 p.
3. Matison, V.A. Pivovarennaya i bezalkogol'naya promy' shlennost'. Obzornaya informaciya. Ser. 22. Vy'p. 2-3. M.: AgroNIITE'IPP, 1993. pp.1-47.
4. Danchenko, O.S. Rational'noe ispol'zovanie otxodov pivovarennogo proizvodstva [Rational use of brewing waste]. Informacionny'j obzor. Minsk, 1970. 86 p.
5. Sniczar', A.I. Myasnaya industriya. 2000. №10. pp.38-39.
6. Sniczar' A.I. Vestnik "Aromaros-M". 2004. №1. pp.44-48.
7. Strekalova, N.D. Biznes-planirovanie: Uchebnoe posobie. [Business Planning: Tutorial]. SPb. Piter, 2012. 352 p.
8. Veden'kin D.A., Khalikov A.Z., Khabibullin R.R. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4989
9. Vasilyev A.N., Budnicov D.A., Vasilyev A.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2017/4310
10. Applications. Larstin Arteda House: Boston, London, 1992. - 670 р.
11. Usatii A. Annals of the University of Oradea-Faculty of Biology. Romania. № 17. 2010. pp. 208-212.
