Библиографическое описание:

Шутов А. А. Обоснование необходимости тепловой обработки молока-сырья на ферме и результаты экспериментальных исследований по оптимизации установки для термизации // Молодой ученый. — 2010. — №12. Т.1. — С. 46-48.

Молоко является ценным в пищевом и биологическом отношении и наиболее совершенным продуктом питания. В нем содержаться все необходимые для жизнедеятельности человека вещества, которые идеально сбалансированы и легко усваиваются организмом. Коровье молоко получают на фермах крупного рогатого скота, в фермерских хозяйствах.

Технический регламент на молоко и молочные продукты устанавливает зависимость сортности сырого молока от количества содержащихся в нем мезофильных аэробных микроорганизмов и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ), а также от количества соматических клеток, допустимые содержания которых представлены в таблице 1.

Таблица 1

Допустимые уровни содержания микроорганизмов и соматических клеток

в сыром молоке

Сорт молока

КМАФАнМ, КОЕ/см3 (г), не более

Содержание соматических клеток в 1 см3 (г), не более

Высший

1х105

2х105

 

Первый

5х105

1х106

 

Второй

4х106

1х106

 

В настоящее время реальная бактериальная обсемененность молока-сырья в России на приемке колеблется в пределах 2,0х107–3,0х108, а не редко – около 1,0х109 КОЕ/см3 [1], поэтому оно не соответствует требованиям стандартов. Очевидной является проблема бактериальной загрязнённости молока-сырья. Причины данной проблемы кроются в ухудшении экологической обстановки. Близость многих сельхозпредприятий к крупным городам, использование пестицидов, химикатов на полях, плохие условия содержание коров, недостаток кормовой базы и использование для питания животных искусственных добавок сказываются на качестве молока-сырья. Молоко, получаемое от коровы, в настоящее время часто уже является загрязнённым. В этом случае встает вопрос применения технологии, позволяющей не только сохранить качество заготавливаемого молока, но и повысить его путём снижения начальной бактериальной обсеменённости.

Эффективным и наименее затратным способом снижения бактериальной обсемененности молока является нагревание. В результате анализа исследований многих ученых были определены оптимальные режимы тепловой обработки молока на ферме, позволяющие значительно снизить начальное количество микроорганизмов и увеличить срок хранения молока до переработки. Эти режимы включают нагрев молока до температуры 63оС, выдержку в течение 15 с и охлаждение до температуры хранения 4оС. Технический регламент на молоко и молочные продукты допускает предварительную термическую обработку в случаях хранения сырого молока более чем 6 часов и перевозки сырого молока, продолжительность которой превышает допустимый период хранения охлажденного сырого молока, но не более чем на 25 процентов. Часто молочные фермы достаточно удалены от молокоперерабатывающих предприятий, накопление молока и транспортировка занимают длительное время. Мелкие хозяйства производят небольшие партии молока, которые малорентабельно возить на переработку. Для них актуально накопление в течение нескольких доек количества молока, достаточного для полного заполнения цистерны молоковоза, что позволит реже осуществлять доставку и тем самым сэкономить средства. В обоих случаях выполняются условия Технического регламента, позволяющие проводить термическую обработку молока на фермах. Применение этой операции позволит решить проблему высокой бактериальной обсеменённости молока-сырья, повысить его сортность, получить сельхозпроизводителям дополнительную прибыль.

Нагревание молока экономически целесообразно осуществлять сразу после доения, когда молоко уже имеет высокую начальную температуру 36оС. Охлаждение молока в установке термизации можно проводить до температуры доения, а дальнейшее доохлаждение до температуры хранения 4оС в уже установленной на ферме системе охлаждения. Это позволит значительно сократить капитальные затраты на новое оборудование при включении операции термизации в технологический процесс первичной обработки молока на ферме.

В результате проведенных поисковых исследований была выбрана производительность установки термизации молока для малых ферм – 500 л/ч. Для теплообменных аппаратов выбрана конструкция «труба в трубе» с противоточным движением теплоносителя, что экономически обосновано для аппаратов с малой производительностью [2].

Оптимизация установки проводилась по сумме приведённых затрат на термизацию молока за 1 год работы установки. Эти затраты должны быть минимальны, что обеспечит наибольшую прибыль сельхозпроизводителю при внедрении данной операции в технологическую схему первичной обработки молока.

где Fо – сумма приведённых затрат, руб.,

Тн.о. – нормативный срок окупаемости, лет,

Sкап – капитальные затраты, руб.,

Sэ – эксплуатационные затраты, руб.

Была разработана и изготовлена лабораторная установка для исследования степени влияния различных факторов на критерий оптимизации установки отдельно для секции термизации и секции охлаждения молока.

Для секции термизации молока исследовалась зависимость влияния на приведенные затраты внутреннего диаметра внутренней трубы d1вн, м, отношения эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы d2экв/d1вн, кратности подачи n и начальной температуры горячей воды tгвн, оС. Для реализации многофакторного эксперимента был выбран трёхуровневый план Бокса-Бенкина 34 для 4 факторов [3]. Уровни и интервалы варьирования факторами представлены в таблице 2.

Таблица 2

Уровни и интервалы варьирования факторами плана эксперимента 34 для секции термизации молока

Уров­ни

варь­­­и­­ро­­в­а­ния фак­то­ров

Фак­то­ры в натуральном виде

Факторы в

кодированном виде

d1вн, м

d2экв/d1вн

n

tгвн,оС

X1

X2

X3

X4

Ос­нов­ной

0,034

0,55

2,5

75

0

0

0

0

Ин­тер­вал варь­и­ро­ва­ния

0,009

0,15

1

7

-

-

-

-

Верх­ний

0,043

0,7

3,5

82

+1

+1

+1

+1

Ниж­ний

0,025

0,4

1,5

68

-1

-1

-1

-1

Для секции охлаждения молока исследовалась зависимость влияния на приведенные затраты внутреннего диаметра внутренней трубы d1вн, м, отношения эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы d2экв/d1вн, кратности подачи холодной воды n. Для реализации многофакторного эксперимента был выбран трёхуровневый план Бокса-Бенкина 33 для трёх факторов [3]. Уровни и интервалы варьирования факторами представлены в таблице 3.

Таблица 3

Уровни и интервалы варьирования факторами плана эксперимента 33 для секции охлаждения молока

Уров­ни

варь­­­и­­ро­­в­а­ния

фак­то­ров

Фак­то­ры

Фак­то­ры в

ко­ди­рован­ном ви­де

d1вн, м

d2экв/d1вн

n

X1

X2

X3

Ос­нов­ной

0,034

0,55

2,5

0

0

0

Ин­тер­вал варь­и­ро­ва­ния

0,009

0,15

1

-

-

-

Верх­ний

0,043

0,7

3,5

+1

+1

+1

Ниж­ний

0,025

0,4

1,5

-1

-1

-1

По результатам реализации многофакторных экспериментов, после статистической обработки данных были получены уравнения регрессии, описывающие зависимость приведенных затрат от варьируемых факторов для каждой из секций установки. Уравнения после проверки по F-критерию Фишера признаны адекватными.

Для секции термизации уравнение в раскодированном виде имеет вид:

Fo = 418311,48 - 3932364,5·d1вн + 43809751,6· d1вн 2 - 160707,8·(d2экв/d1вн) +

+ 80169,4·(d2экв/d1вн) 2 + 18906·n + 1696,8·n2 - 7520,2·tгвн + 44,6· tгвн 2 +

+ 3112465,2· d1вн ·(d2экв/d1вн) - 430299· d1вн ·n - 20514,4·(d2экв/d1вн) ·n

По полученному уравнению регрессии для секции нагрева были построены графики зависимости критерия оптимизации от варьируемых факторов и определены их оптимальные значения. Наименьшие приведённые затраты Fo=4222,4 руб. наблюдаются при следующих значениях факторов: внутренний диметр внутренней трубы d1вн=0,034 м; отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы d2экв/d1вн=0,7; кратность подачи горячей воды n=3; начальная температура горячей воды tгвн=82оС.

Для секции охлаждения уравнение в раскодированном виде имеет вид:

Fo = 65842,6 - 3525048,3· d1вн + 37299319,9· d1вн 2

- 70352,3·(d2экв/d1вн) + 24948,9· n + 2842807,8· d1вн ·(d2экв/d1вн) –

- 381928,8· d1вн · n - 17899,6·(d2экв/d1вн)· n

По полученному уравнению регрессии также были построены графики зависимости критерия оптимизации секции охлаждения от варьируемых факторов и определены их оптимальные значения. Наименьшие приведённые затраты Fo=4784,6 руб. наблюдаются при следующих значениях: внутренний диметр внутренней трубы d1вн =0,0385 м; отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы d2экв/d1вн=0,7; кратность подачи холодной воды n=3,5.

После обработки полученных оптимальных значений исследованных факторов для обеих секций были получены рациональные конструктивные параметры и режимы работы установки для термизации молока на ферме крупного рогатого скота, представленные в таблице 4.

Таблица 4

Рациональные параметры и режимы работы установки для термизации молока

Параметр

Секция установки

Охлаждения

Термизации

1

Производительность по молоку, м3

0,5

0,5

2

Общая площадь теплообмена, м2

1,2939

1,1933

3

Длина трубы на участке теплообмена, м

9,89

10

4

Диаметр внутренней трубы, мм

Ø44,5х3

Ø40х3

5

Диаметр наружной трубы, мм

Ø85х3

Ø76х3

6

Кратность теплоносителя

3,5

3

7

Подача теплоносителя, м3

1,75

1,5

8

Начальная температура молока, оС

63

36

9

Конечная температура молока, оС

36

63

10

Начальная температура теплоносителя, оС

10

82

11

Конечная температура теплоносителя, оС

17,4

73,1

 

Литература:

1.      Емельянов С.А. Технологическое обоснование и экспериментальные исследования технологических аспектов бактериальной санации молочного сырья в условиях реального биоценоза: Автореферат диссертации на соискание учёной степени д.т.н. – Ставрополь, 2007. - 37 с.

2.      Тарасов Ф.М. Гидродинамика и теплообмен в аппаратах молочной промышленности. - М.: Пищевая промышленность, 1970. - 215 с.

3.      Мельников С.В., Алешкин В.Р., Рощин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. 2-е издание, переработанное и дополненное. - Л.: Колос. Ленинградское отделение, 1980. - 168 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle