Технология переработки воска c применением энергии электромагнитного поля СВЧ - диапазона Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Технология переработки воска с применением энергии электромагнитного поля СВЧ - диапазона

Киреев Ю.В (apis@khakasnet.ru), Киреев А.Ю., Гнатенко Г.Г.

ТОО «Апис»

Воск - второй по значению продукт пчеловодства. Является продуктом восковых желез пчел, и представляет собой твердое, мелкозернистое на изломе вещество, окраска которого колеблется от бесцветной до темно - желтой, светло - коричневой или коричневой.

Воск издревле служил ходовым товаром для обмена. Воск применяют в живописи и скульптуре, при обработке изделий из дерева и кожи, в радиотехнической, металлургической, лакокрасочной, текстильной промышленности, а также в полиграфии, кораблестроении, гальванопластике.

Около 80% воска [6], получаемого у нас в стране, идет на изготовление искусственной вощины. Но потребности отраслей удовлетворяются не полностью, а другие воскообразующие вещества (парафин, церезин, стеарин) заменить воск не могут. Поэтому перед пчеловодством стоит важная задача - всемерно увеличивать производство воска не только за счет отбора его при выбраковке сотов, но также за счет сокращения потерь при хранении воскосодержащего материала и при его переработке. Традиционные способы переработки воскосырья предусматривают переработку воска в пасечных условиях и на воскозаводах. В пасечных условиях воск перерабатывают на воскотопках (солнечных и паровых), воскопрессах, воскотопках - воскопрессах. Все эти способы сопряжены с большими затратами труда и электроэнергии. Кроме того, воск нуждается в стерилизации на воскозаводах. Следовательно, перед пчеловодством встает важная задача поиска новых технологий переработки воска.

Обзор существующих (традиционных) технологий по переработке воскосырья:

- Воскотопка.

Приспособление для вытапливания воска из исходного воскового сырья. На пасеках применяют в основном воскотопки солнечные и паровые. Наиболее дешевый способ получения воска - на солнечной воскотопке, однако он применим только для воскового сырья с высокой восковитостью (70% и выше), из которого получают воск-капанец. За день обрабатывают до 4 кг воскового сырья. В оставшихся вытопках содержится еще 4050 % воска, поэтому их подвергают вторичной переработке на пасечных или заводских воскопрессах и центрифугах. Стерилизация воска производится в автоклавах в течении 2 ч. Затраты электроэнергии при автоклавировании на воскозаводах - 27 кВт/ч.[3]. Паровая воскотопка предназначена для переработки острым паром больших партий сырья на крупных пасеках. С гнездовой рамки получают в среднем 110 г воска и 250 г мервы, восковитость которой около 43 %. Дальнейшая стерилизация в автоклавах. Затраты труда: обрезка сотов с рамок, заполнение воскотопки водой, укладка воска в воскотопку, нагрев.

- Воскопресс.

Станок для отжима воска из разваренного воскового сырья. За 1 ч перерабатывают до 11 кг суши. Выход воска 60-70 % от общей массы суши. Затраты электроэнергии на стерилизацию воска (54 кВт). Затраты труда: обрезка сотов с рамок, предварительное разваривание воска, поддержание нужной температуры воды, прессование воска.

- Воскотопка - воскопресс.

Приспособление для извлечения воска из сотов (суши), предварительно вырезанных из рамок. Вместимость воскотопки - воскопресса 3 кг сырья[3]. Время переработки суши 1 ч (без учета разогрева воды до кипения). Извлекают до 45 % воска (при этом остаточная восковитость мервы не более 30 %).Затраты электроэнергии на стерилизацию воска (54 кВт). Затраты труда: обрезка сотов с рамок, предварительное разваривание воска, поддержание нужной температуры воды, прессование воска[3].

Стерилизация воска:

Основная масса воска, производимого у нас в стране, идет на изготовление вощины, поэтому возрастает опасность заражения пчел гнильцовыми заболеваниями через вощину, в связи с чем возрастает роль стерилизации воска на воско-вощинных заводах.

Все применяемые в настоящее время тепловые способы стерилизации обладают следующими недостатками:

1. Трудоемки;

2. Дают большие потери воска на угар - до 1,5 %;

3. Уменьшают силу разрыва вощин;

4. Под действием высоких температур воск темнеет, ухудшаются товарные качества вощин.

Из-за последнего многие заводы не доводят температуру воска до летальной для гнильцов, и не полностью стерилизованный воск пускается в производство.

Экономический ущерб от болезней пчел, передаваемых через вощину, огромен. Каждая пчелиная семья, больная гнильцом, недобирает от 5 до 40 кг меда и до 0,5 кг воска[6].

В связи с отсутствием контроля по зараженности выпускаемых воско-вощинными заводами и областными конторами (цехами) вощин и отсутствием способов и устройств стерилизации, удовлетворяющих производство, наносится значительный ущерб пчеловодству. Ради сохранения товарного вида и прочности вощин производственники вынуждены выпускать вощины со скрытым браком (зараженные гнильцовыми заболеваниями).

Требования к способам и устройствам стерилизации воска:

1. Стопроцентная стерилизация всех видов гнильцовых микроорганизмов.

2. Отсутствие потерь воска при стерилизации.

3. Сохранение физико-химических свойств воска.

4. Сохранение товарного вида воска (в изготовленной вощине).

5. Возможность стерилизации воска в потоке и автоматизация процесса стерилизации.

6. Экономия энергетических ресурсов.

7. Экологическая безопасность.

8. Сокращение времени стерилизации по отношению к существующему способу стерилизации.

В результате обзора и анализа научно-технической литературы и патентов установлено, что традиционные способы и устройства тепловой стерилизации не удовлетворяют предъявленным требованиям.

Требования к способам и устройствам по вытопке воска из воскосодержащего сырья:

1. Максимальный выход воска из воскосодержащего сырья (90 % и более).

2. Полная автоматизация процесса вытопки воска.

3. Время вытопки не должно превышать 20-30 минут.

4. Отсутствие угара воска.

Существующие технологии вытопки не отвечают предъявленным требованиям. Эту проблему можно решить только разработкой принципиально новых способов и устройств вытопки воска, основанных на применении электромагнитной энергии СВЧ.

Обзор существующих достижений в данной области.

Бактерицидное действие СВЧ - энергии:

В настоящее время в нашей стране и за рубежом ведутся исследования по стерилизации продуктов и материалов под действием поля сверхвысокой частоты. Обнаружено бактерицидное действие СВЧ-полей не только большой (тепловой), но и малой (нетепловой) мощности [6].

В существующей на сегодняшний день научной литературе нет более или менее удовлетворительного теоретического объяснения воздействия СВЧ-энергии на биологический объект. Имеющиеся сведения экспериментального характера имеют противоречивый характер.

В воздействии электромагнитного поля СВЧ на биологические объекты можно выделить два основных, тесно связанных между собой, направления: первое -исследование бактерицидных свойств электромагнитных волн или, наоборот, их стимулирующего действия на микроорганизмы; и второе - выяснение механизма взаимодействия электромагнитной энергии с клеткой как биологической моделью биоорганизма.

Сейчас уже не вызывает сомнений тот факт, что электромагнитные волны оказывают влияние на жизнедеятельность клеток и биоорганизма в целом.

Установки по стерилизации сельскохозяйственных продуктов при воздействии СВЧ-энергии теплового уровня находят практическое применение. Так, фирма Cober Electronics (США) [6] разработала лабораторную установку для стерилизации молока, фруктовых соков. В Швеции хорошо работает установка пастеризации молока[6].

Проводятся исследования по высокотемпературной стерилизации спор болезнетворных микроорганизмов при температуре 120°С и выше.

Филипповым Р.Л. проведен эксперимент[6], целью которого было определение стерилизации воска при его вытопке с помощью СВЧ-энергии. Для исследования использовался воск, инфицированный возбудителями Bacillus alvei и Streptococcus apis. Пробы были приготовлены в НИИП (г. Рыбное).

В результате анализа данных по стерилизации воска, полученного от НИИП, было установлено, что на частоте 17,6 ГГц происходило уничтожение микроорганизмов как от спор Bacillus alvei, так и Streptococcus apis при мощности генератора 5,5 мВт/см2. С увеличением мощности, подаваемой к кювете, выше 7 мВт/см2 происходил незначительный нагрев исследуемой массы воска (при влажности 2,5%) даже при экспозиции 10 с.

Верхний предел удельной мощности обработки зараженного воска при его стерилизации без нагрева составил 7 мВт/см2.

По данным Филиппова Р.Л. [6] внедрение в производство способа вытопки воска на базе применения СВЧ-энергии позволит одновременно стерилизовать воск, что значительно повысит экономическую эффективность этого способа.

Собственные исследования:

Цели исследования:

1 Изучение влияния энергии электромагнитного поля на воскосырье;

2 Определение технологических параметров переработки воскосырья;

Задачи исследования:

1 Определение оптимальной мощности переработки воскосырья;

2 Определение оптимальной экспозиции переработки воскосырья;

3 Определение количества воска, необходимого для закладки в печь СВЧ - типа;

4 Определение технологии обработки воска перед переработкой в печи СВЧ - типа.

Методика проведения эксперимента:

Для эксперимента использовалась сушь размером 400х100 мм и весом 30 г. Сушь заполнялась водой и загружалась вертикально в камеру СВЧ - печи. Затем устанавливались экспозиция и мощность электромагнитного поля. Заполнение ячеек сотов водой необходимо для эффективной переработки воскосырья (воск является природным диэлектриком, и переработка идет при наличии воды, а именно ее диполей (Н+ и ОН-). Эксперимент проводился в 3-х кратной повторности.

Результаты экспериментальных исследований:

Таблица 1

Экспериментальные данные переработки воска энергией электромагнитного поля СВЧ - диапазона

Мощность поля СВЧ - печи, кВт Время переработки воска, мин

масса воска 30 г масса воска 1 кг

0,75 6 ± 0,2 200

0,6 10 ± 0,3 220

0,5 12 ± 0,5 230

0,4 15 ± 0,7 240

0,3 19 ± 0,8 255

0,2 25 ± 1 265

Анализируя таблицу 1, мы видим, что с увеличением мощности электромагнитного поля с 0,2 до 0,75 кВт экспозиция сокращается с 265 до 200 минут.

Данные, представленные в таблице 1 были подвергнуты биометрической обработке программой «Вюш», разработанной Киреевым А.Ю [8].

Таблица 2

Результаты биометрической обработки

Время(мин) Мощность (кВт)

Биометрические показатели X Y

Среднее 235 0.46

Дисперсия 560 0.04

Стандартное отклонение (sigma) 23.66 0.20

Коэффициент вариации (cv) 10.07 % 43.86 %

Ошибка средней арифметической 9.66 0.08

Ошибка сигмы 6.83 0.06

Ошибка коэффициента вариации 2.91 12.66

Ковариация 4.75

Коэффициент корреляции -0.99

Ошибка коэффициента корреляции 0.03

Достоверность корреляции 35.69

Корреляция достоверна с вероятностью 0.999

Коэффициент определенности (ro) 0.99

Регрессия Y по X [R(yx)] -0.009

Регрессия Y по X оценена как: Y = 2.45 - 0.009 X

Регрессия X по Y [R(xy)] -117.53

Регрессия X по Y оценена как X = 288.87 - 117.53 Y

Прямая линия наилучшего приближения Y = 2.46 - 0.009 X

Может быть преобразована к виду X = 288.95 - 117.71 Y

На основе биометрической обработки данных и составления уравнения, был построен график, отражающий зависимость экспозиции переработки воска от уровня мощности СВЧ - поля. Он показывает, что при увеличении мощности поля с 0,2 до 2,3 кВт, экспозиция уменьшается с 265 до 15 минут, что является оптимальным при переработке воскосырья.

Зависимость экспозиции переработки воска от уровня мощности СВЧ поля

Время

□ мощность

Р = 2,454763 - 0,0084954 * t

Рис. 1 Зависимость экспозиции переработки воска от уровня мощности СВЧ - поля

(масса 1 кг).

Экономическая эффективность результатов теоретических и экспериментальных исследований технологии переработки воскосырья с использованием СВЧ поля.

Таблица 3

Данные по переработке воска (масса 1 кг) с использованием традиционных и __ нетрадиционных технологий.__

Технология Время переработки, мин Наличие патогенной микрофлоры Затраты электроэнергии Технологические операции

кВт рубли

Солнечная воскотопка + автоклав 180 + 120 стерилизованный 54 24,84 Обрезка сотов с рамок

Паровая воскотопка + автоклав 7 + 120 стерилизованный 0,35 + 54 0,16 + 24,84 = 25 Обрезка сотов с рамок, заполнение воскотопки водой, укладка воска в воскотопку, нагрев

Воскотопка -воскопресс + автоклав 20 + 120 стерилизованный 0,66 + 54 0,3 + 24,84 = 25,14 Обрезка сотов с рамок, предварительное разваривание воска, поддержание нужной температуры воды, прессование воска

Воскопресс + автоклав 9 + 120 стерилизованный 0,135 + 54 0,06 + 24,84 = 24,9 Обрезка сотов с рамок, предварительное разваривание воска, поддержание нужной температуры воды, прессование воска

Электромагнитное поле СВЧ диапазона 15 стерилизованный 1,265 0,58 Заполнение ячеек сотов водой

Примечание: Автоклавирование проводится в течение 2 часов при температуре 127° С и давлении 1,5 кгс/см2. Мощность автоклава 27 кВт/ч.

Анализируя таблицу 3, мы видим, что перерабатывая воск традиционными способами (воскотопка, воскопресс, воскотопка - воскопресс), человек сталкивается со значительными затратами труда и электроэнергии. Внедряя технологию переработки воска с помощью энергии электромагнитного поля, мы получаем экономию электроэнергии в 42 раза. Затраты труда человека также значительно сокращаются. Кроме

того, мы получаем полностью стерилизованный воск, готовый для производства искусственной вощины за один технологический цикл.

Разработка установки по переработке воска и получению мервы.

Установка состоит из: облучателя типа «скошенный волновод»; рассеивателя энергии СВЧ; камеры вытопки воска; сетки 40*40 мм; сетки 10*10 мм; сетки 5*5 мм; поддона для переработанного воска.

Принцип работы:

Ячейки сотов заполняются водой, и рамки устанавливаются в камеру вытопки воска. Включается облучатель СВЧ, и электромагнитная энергия с помощью рассеивателя энергии СВЧ подается в камеру вытопки. По мере вытопки воск с мервой будут стекать вниз, попадая на сетку, служащую экраном для электромагнитного поля. Мерва, попадая на сетку, будет скатываться в ящики для сбора мервы. Сетка служит для сбора мелких фракций мервы. Воск попадает в подогреваемый поддон для воска. По мере наполнения поддона воск разливается по формам.

Литература:

1. ГОСТ 21179 - 2000 Воск пчелиный. Технические условия.

2. Кирьянов Ю. Н., Русакова Т. М. Технология производства и стандартизация продуктов пчеловодства. - М.: Колос, 1998. - 160 с.: ил.

3. Пчеловодство / Ред. Кол. Г. Д. Билаш, А. Н. Бурмистров, В. Г. Гребцова и др. - 2 изд. -М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - 511 с.: ил.

4. Темнов В. А. Переработка воскового сырья на пасеке. - М.: Россельхозиздат, 1966. -102 с.

5. Таранов Г. Ф. Промышленная технология получения и переработки продуктов пчеловодства. М.: Агропромиздат, 1987. - 319 с.

6. Филиппов Р. Л. Интенсификация технологических процессов переработки продуктов пчеловодства электромагнитной энергией. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Харьков, 1990.

7. Чудаков В. Г. Технология продуктов пчеловодства. - М.: Колос, 1979 - 160 с.: ил.

8. Шестаков В.М., Киреев А.Ю. Изменения показателей спермо-продукции в зависимости от фаз Луны у быков-производителей разных генотипов. Тезисы 2 научно-практической конференции КФ ТСХА. Калуга, 1994, с.38-39.