CC BY
40
УДК 638.163.45
СВЧ-установка для роспуска меда Microwave unit for honey dissolution
Науч. сотрудник B.H. Тихонов, инженер первой категории А.Н. Алёшин, науч. сотрудник И.А. Иванов, мл. науч. сотрудник А.В. Тихонов
(Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии) тел. 8 (484)399-69-36 E-mail: [email protected]
Research associate V.N. Tikhonov, Engineer A.N. Aleshin, Junior Researcher I.A. Ivanov, Junior Researcher A.V. Tikhonov (Russian Institute of Agroecology) tel. 8 (484)399-69-36 E-mail: [email protected]
Реферат. Россия входит в первую пятерку стран с развитым пчеловодством. Реализация потенциальных возможностей роста рынка меда сдерживается, среди прочего, отсутствием современного технологического оборудования на стадии, предшествующей фасовке продукта в тару, наиболее приемлемую для розничной торговли, то есть на стадии роспуска закристаллизовавшегося мёда. Общепринятый в настоящее время тепловой метод роспуска характеризуется большой продолжительностью процесса вследствие низкой теплопроводности закристаллизовавшегося меда. В производственных условиях обычно применяются водяные бассейны либо тепловые комнаты. При этом неизбежны значительные расходы на тепло- и электроэнергию, немалые дополнительные капитальные затраты, а вследствие длительности процесса роспуска (до 2 сут и более) происходит ухудшение аромата и качества продукта. Представлены результаты разработки инновационной высокопроизводительной технологии роспуска меда, закристаллизовавшегося как в металлической, так и в неметаллической таре. Сущность метода состоит в том, что роспуск меда осуществляется с помощью микроволновой энергии в опрокинутом положении емкости, поэтому распустившаяся часть меда немедленно покидает зону нагрева и не может перегреться. В результате обеспечивается сохранение аромата, всех биологических и органолептических свойств ценного продукта. Представлен пилотный образец промышленной СВЧ-установки четвертого поколения дая роспуска закристаллизовавшегося меда с возможностью использования для дефростации и/или разогрева твердых жиров животного и растительного происхождения (в том числе шоколада), а также некоторых непродовольственных материалов в промышленности и парфюмерии.
Summary. Russia is in the top five countries with developed beekeeping. The potential of honey production is constrained by the lack of modern technological equipment. For example, there is a problem of productivity and quality preservation at the stage of dissolution of crystallized honey before its packaging. The currently used thermal dissolution method is characterized by a long process duration due to the low thermal conductivity of the crystallized honey. In production conditions, water basins or thermal rooms are usually used. At the same time, significant expenses for heat and electricity are inevitable, considerable additional capital expenditures, and due to the duration of the process (up to two days or more), the organoleptic properties of the product deteriorate. In this paper, we present the results of the development of an innovative high-performance technology for the dissolution of honey, crystallized in both metallic and non-metallic containers. The dissolution of honey is carried out with the help of microwave energy, in the inverted position of the container, so the blossom of the honey immediately leaves the heating zone and does not overheat. As a result, all biological and organoleptic properties of the product are preserved. A pilot sample of a fourth-generation industrial microwave unit for dissolving crystallized honey is presented. Also this unit has the ability to use for heating solid fats of animal and vegetable origin, chocolate and some non-food materials in industry and perfumery.
Ключевые слова: мёд, роспуск меда, декристаллизация, микроволновая энергия, СВЧ-установка.
Keywords: honey, dissolution of honey, decrystallization, microwave energy.
©Тихонов B.H., Алёшин A.H., Иванов И.А., Тихонов A.B., 2017
В настоящее время пчеловодством в России занимаются около 5 тыс. хозяйств и примерно 300 тыс. пчеловодов-любителей, фермеров и кооператоров. По разным оценкам, сейчас в нашей стране производится от 65 до 105 тыс. т меда в год. За последние 10-15 лет производство меда выросло почти в 3 раза, Россия входит в первую пятерку стран с развитым пчеловодством [1]. Таким образом, потенциальные возможности роста рынка меда и другой продукции пчеловодства в России значительны.
В то же время следует учитывать сильно выраженную сезонность работы этой отрасли народного хозяйства, особенно в наших климатических условиях: медосбор и последующая откачка меда должны осуществляться в весьма сжатые сроки. Производить незамедлительную фасовку всего свежеоткачанного меда в удобную для последующей реализации потребителям мелкую тару очень сложно организационно-технически и невыгодно экономически. Поэтому практически весь добываемый на пасеках мед заливается и какое-то время хранится в той или иной «промежуточной» технологической таре. Откачка меда производится у нас с середины лета до начала осени, а пик потребительского спроса на мед приходится на зимне-весенний период. За эти насколько месяцев происходит «садка», то есть кристаллизация меда. Это естественный процесс перехода меда из одного физического состояния в другое без изменения его ценных качеств. Однако товарный вид меда и покупательский спрос на него во многом определяются именно агрегатным состоянием продукта: как в России, так и за рубежом, наибольшим спросом пользуется жидкий мед.
Для того чтобы расфасовать мед с применением разливочных машин, его необходимо из кристаллического состояния перевести в жидкое. Кроме того, перед разливом мед необходимо очистить от всех механических примесей, присутствие которых запрещено ГОСТ Р 54644-2011 [2]. Фильтрацию меда можно проводить только в жидком состоянии. Поэтому, несмотря на то что в соответствии с Кодексом Алиментариус [3] мёд нельзя нагревать или перерабатывать до такой степени, чтобы его основной состав менялся или снижалось его качество, именно нагрев меда является широко используемым методом для приведения его в жидкое состояние. Таким образом, мёд должен быть распущен так, чтобы минимизировать возможный вред от этой процедуры.
В ГОСТ Р 54644—2011 включены такие показатели качества, как «диастазное число» и «содержание оксиметилфурфурола (ОМФ) в 1 кг меда», которые проявляют особую чувствительность к изменению температуры. Достаточно быстрое увеличение содержания оксиметилфурфурола и уменьшение диастазного числа происходит при температуре нагрева меда выше 50 °С. Однако изменения этих показателей в меде, выдержанном при температуре, не превышающей 50 °С даже до 2 сут, настолько незначительны, что на качество продукта практически не влияют [4].
Следует подчеркнуть, что уровень ОМФ используется только как индикатор процессов, происходящих при переработке и хранении меда. В тех концентрациях ОМФ, которые естественным образом присутствуют во многих общеупотребительных продуктах (джемы, варенья, патоки, сиропы и проч.), он не представляет существенной угрозы для здоровья, хотя по содержанию ОМФ они превышают допустимые значения для меда в десятки и сотни раз [5]. По данным новозеландской компании Airborne Honey Ltd, в процессе хранения меда при температуре 30 °С в течение 6 мес. в нем образуется во много раз больше ОМФ, чем при кратковременном (5 мин) нагреве того же меда до 70 °С с последующим достаточно быстрым охлаждением [6].
Таким образом, для сохранения качественных характеристик меда нагревать его нужно быстро с последующим охлаждением. Однако этому препятствует
низкая теплопроводность и полное отсутствие конвекции в закристаллизовавшемся продукте. По этой причине проблема роспуска закристаллизовавшегося меда с целью последующей фасовки или же для использования его в различных процессах переработки до настоящего времени не решена и остается актуальной во всем мире.
Задача состояла в разработке СВЧ-установки с возможностью осуществления режимов нагрева закристаллизовавшегося меда, при которых сохраняются его показатели качества.
С начала 90-х гг. XX в. в ФГБНУ ВНИИРАЭ ведутся работы по использованию физических методов (в том числе СВЧ-излучения) для воздействия на агроценозы и технологические процессы в сельском хозяйстве, пищевой и перерабатывающей промышленности. В рамках этих работ была проведена апробация предложенного в 1980-х годах метода роспуска меда в металлической таре с помощью энергии электромагнитного поля [7]. Сущность метода состоит в том, что роспуск осуществляется с помощью микроволновой энергии в опрокинутом вверх дном положении фляги, при этом распустившаяся часть меда вытекает из зоны нагрева не перегреваясь. На этой основе была проведена разработка установок микроволнового роспуска меда для среднемасштабного производства УРМ-1, с электроприводом опрокидывателя фляг, и малобюджетной установки УРМ-2 для использования в индивидуальном фермерском хозяйстве (рис. 1).
а б
Рис. 1. Первые СВЧ-установки для роспуска меда: а - УРМ-1; б - УРМ-2
Найденные оригинальные решения по конструкции и электродинамике, защищенные патентом, позволили в основном решить поставленные задачи. Однако выпуск основных компонентов микроволновых генераторов (магнетронов, трансформаторов и др.) нашей отечественной ттро1\/гытттлеггггогтыо вскоре был полностью прекращен. Поэтому следующая модель установки - УРМ-3 (рис. 2) была спроектирована на базе новейших зарубежных комплектующих, причем в качестве источника СВЧ-энергии использовались основные компоненты бытовых микроволновых печей, массовое производство которых и острая конкуренция ведущих фирм-производителей на мировом рынке обеспечивают высокую их надежность при низкой стоимости [8].
Рис. 2 Установки для роспуска меда серии УРМ-3
Модификации модели третьего поколения УРМ-3, в том числе с микропроцессорным управлением, инверторным питанием и водяным охлаждением магнетронов, неоднократно представлялись и получали высокие награды на региональных и международных выставках и салонах. Для измерения электромагнитных параметров меда на частоте воздействия (диапазон 2.45 ГГц) была разработана и апробирована специальная методика, о чем был представлен соответствующий доклад на Международной научно-практической конференции по пчеловодству [9]. Установки проходили оттытно-ггромытттленнъте испытания на предприятиях Новосибирска и Саратова. Основные решения ТУ [10], получен сертификат соответствия и санитарно-эпидемиологическое заключение.
Однако описанные выше усилия по разработке СВЧ-установок для роспуска меда, закристаллизовавшегося в металлической таре (а в нашей стране это была, как правило, так называемая «молочная фляга» емкостью 40 л), зашли в некотором роде в тупик, поскольку к настоящему времени сообщество производителей меда в России практически полностью переориентировалось на хранение меда в неметаллической (пластиковой) таре.
По этой причине многие использовавшиеся ранее конструктивные решения при использовании микроволновой энергии для декристаллизации меда, оказались неприемлемы с точки зрения обеспечения требований электромагнитной безопасности. В этой связи, а также с учетом накопленного опыта эксплуатации предыдущих модификаций установок и произошедших изменений на рынке комплектующих, материалов и технологий была предпринята разработка новой модели следующего поколения УРМ-4 - надежной, безопасной, экономичной и удобной в эксплуатации, с минимальными требованиями к таре, используемой для хранения меда.
Общей особенностью всей используемой для хранения меда тары является наличие «широкого горла» - для обеспечения возможности удобного доступа к продукту после его кристаллизации. Эта особенность тары была использована в конструкции установки УРМ-4 - по аналогии с нашими предшествующими разработками. Куботейнер или фляга с медом (со снятой крышкой) размещается
горловиной вниз на дне рабочей камеры установки, С ВЧ-излучение от магнетрон-ттого генератора поступает снизу вверх по вертикальному волноводу, открытый конец которого излучает энергию в плотные слои меда, находящиеся непосредственно над ним. При этом разогретая и распустившаяся часть меда покидает зону облучения без дальнейшего перегрева. Мед стекает непосредственно по стенкам волновода и через его нижний короткозамкнутый перфорированный торец сливается в приемную емкость.
На рис. 3 представлена компоновочная схема установки УРМ-4. Контейнер с закристаллизованным медом 1 установлен в опрокинутом положении на дно рабочей камеры установки 2. Рабочий объем установки образует защитный экран 3, имеющий с дном рабочей камеры электромагнитное уплотнение 4. Снизу к рабочей камере присоединен излучающий волновод 5, микроволновая энергия в него поступает от двух магнетронов 6, нижний торец излучающего волновода 5 выполнен перфорированным для вытекания распущенного меда. Вся установка смонтирована на простой опорной раме 7, на ней же размещен высоковольтный блок питания 8 магнетронов.
3
Рис. 3. Компоновочная схема установки. (Защитные панели условно не показаны. Пояснения - в тексте.)
В результате проведенных опытно-конструкторских работ был спроектирован и изготовлен пилотный образец промышленной СВЧ-установки для роспуска меда УРМ-4 (рис. 4).
Рис. 4. Пилотный образец промышленной СВЧ-установки УРМ-4
В таблице приведена расчетная производительность СВЧ-установки для роспуска меда с генерируемой СВЧ-мощностью 2 кВт при различной требуемой температуре разогрева меда.
Таблица
Расчетная производительность СВЧ-установки для роспуска меда с генерируемой СВЧ-мощностью 2 кВт
Показатель Значение
Теплоемкость, Дж/кг/град. 1 500 1 500 1 500 1 500
Подогрев, °С 25 30 35 40
Масса, кг 30 30 30 30
Энергия, кДж 1 125 1 350 1 575 1 800
Энергия, кВт-ч 0,3125 0,375 0,4375 0,5
Мощность СВЧ, кВт 2 2 2 2
Время, мин 9.4 И 13 15
Производительность, кг/час 3,20 2,67 2,29 2,00
192 160 137 120
Как видно из таблицы, подобная установка может иметь производительность от 100 (охлажденный мёд складского хранения, требуется подогрев на 40 °С) до 200 кг/ч (мёд комнатной температуры, подогрев на 25 °С) распущенного меда, т.е. стандартный 20 л куботейнер должен распускаться за 10-15 мин. Для сравнения, по данным, приведенным в работе [5], 25 кг меда нагреваются на водяной бане до 40 °С в течение 43 ч, в то время как для нагревания воздухом необходимо и вовсе 72 ч. Причем нагревание на водяной бане используется при объеме тары до 25 кг, а широко применяемое воздушное нагревание требует еще больших затрат энергии, времени и производственных площадей.
Приведенная выше расчетная производительность СВЧ-установки позволяет надеяться на значительное конкурентное преимущество использования микроволнового оборудования по сравнению с традиционными технологиями роспуска меда.
В результате проведенных работ спроектирован и изготовлен пилотный образец промышленной СВЧ-установки, показана возможность осуществления режимов нагрева и роспуска меда, закристаллизовавшегося как в металлической, так и в неметаллической таре, при которых сохраняются основные показатели качества ценного продукта.
Оригинальность работы подтверждается отсутствием аналогов в мировой практике. Основные решения защищены 2 авторскими свидетельствами, разработаны и утверждены ТУ, имеется сертификат соответствия и санитарно-эпидемиологическое заключение. Достигнутые технические результаты могут обеспечить существенный вклад в конкретной области производства и переработки пищевых продуктов.
Представляется возможным также использование предложенной технологии для размораживания, разогрева и роспуска различных твердых жиров растительного и животного происхождения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Россия на мировом рынке меда. Мир пчеловодства [Электронный ресурс]: // URL: http://www.apiworld.ru/stati/rossiya-na-mirovom-rynke-meda-v-2013-godu/
2. ГОСТ Р 54644-2011 Мед натуральный. Технические условия.
3. The Codex Alimentarius international food standards. CODEX STAN 12-1981.
4. Богданов С. Кристаллизация мёда. Глава 3: Распускание меда различными способами. //Её величество пчела. - 2011. - № 2 [Электронный ресурс]: / / URL: http: / / 24medok.ru / glava-3-kristallizaciya-myoda-raspuskanie-meda-razlichnymi-sposobami
5. Abdel-Aal-E.S.M.; Ziena-H.M.; Youssef-M.M. Adulteration of honey with high-fructose corn syrup: detection by different methods. Food-Chemistry; 48 (2) 209-212, 18 ref. NU: ISSN: 0308-8146.
6. Airborne Honey Ltd. [Электронный ресурс]: http://www.airborne.co.nz/ HMFref.shtml
7. Тихонов, B.H. Бюджетные генераторы для микроволновых плазмотронов [Текст] / В.Н. Тихонов, И.А. Иванов, А.Е. Крюков, А.В. Тихонов // Прикладная физика. - 2015. - № 5. - С. 102-106.
8. Тихонов, В.Н., Зейналов А.А., Крюков А.Е., Тихонов А.В. Опыт разработки микроволновой установки для роспуска меда [Текст] / В.Н. Тихонов, А.А. Зейналов, А.Е. Крюков, А.В. Тихонов // Матер. Между нар. науч.-практ. конф. «Современные технологии производства и переработки меда». - 2008. - С. 165168.
9. ТУ 3614-002-04684188-2008 Микроволновая установка для разогрева и роспуска закристаллизованного меда и других материалов УРМ 3.
REFERENCES
1. Rossiya па mirovom rynke meda. Mir pchelovodstva [Russia in the world honey market. The world of beekeeping] URL: http://www.apiworld.ru/stati/rossiya-na-mirovom-iynke-meda-v-2013-godu/ (Russian).
2. Med natural'nyy. Tekhnicheskie usloviya [Honey natural. Technical conditions] GOST P 54644 2011 (Russian).
3. The Codex Alimentarius international food standards. CODEX STAN 12-1981.
4. Bogdanov S. Kristallizatsiya meda [Crystallization of honey]. Chapter 3: Ras-puskanie meda razlichnymi sposobami [Dissolving honey in various ways]. //Ее velichestvo pchela [Her majesty the bee], 2011, No 2, URL: http://24medok.ru/glava-3-kristallizaciya-myoda-raspuskanie-meda-razlichnymi-sposobami (Russian).
5. Abdel-Aal-E.S.M.; Ziena-H.M.; Youssef-M.M. Adulteration of honey with high-fructose corn syrup: detection by different methods. Food-Chemistiy; 48 (2) 209-212, 18 ref. NU: ISSN: 0308-8146.
6. Airborne Honey Ltd. URL: http://www.airborne.co.nz/HMFref.shtml
7. Tikhonov V.N., Ivanov I.A., Kryukov A.E., Tikhonov A.V. Byudzhetnye genera-toiy dlya mikrovolnovykh plazmotronov, Prikladnaya fizika [Low cost microwave generators for plasma torches] Prikladnaya fizika, 2015, No 5, pp. 102-106 (Russian).
8. Tikhonov V.N., Zeynalov A.A., Kryukov A.E., Tikhonov A.V. Opyt razrabotki mikrovolnovoy ustanovki dlya rospuska meda [Experience in developing a microwave system for the dissolution of honey] Sovremennye tekhnologii proizvodstva i pere-rabotki meda: Mater. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., Novosibirsk, 2008, pp. 165-168 (Russian).
9. Mikrovolnovaya ustanovka dlya razogreva i rospuska zakristallizovannogo meda i drugikh materialov URM-3 [Microwave unit for heating and dissolving crystallized honey and other materials URM 3] Tekhnicheskie usloviya [Technical specifications] TU 3614-002-04684188-2008 (Russian).
