Обоснование необходимости тепловой обработки молока-сырья на ферме и результаты экспериментальных исследований по оптимизации установки для термизации

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

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 63^оС, выдержку в течение 15 с и охлаждение до температуры хранения 4^оС. 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 36^оС. Охлаждение молока в установке термизации можно проводить до температуры доения, а дальнейшее доохлаждение до температуры хранения 4^оС 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 F_о – сумма приведённых затрат, руб.,

Т_н.о. – нормативный срок окупаемости, лет,

S_кап – капитальные затраты, руб.,

S_э – 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 d_1вн, м, отношения эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы d_2экв/d_1вн, кратности подачи n и начальной температуры горячей воды t_гвн, ^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

Для секции охлаждения молока исследовалась зависимость влияния на приведенные затраты внутреннего диаметра внутренней трубы d_1вн, м, отношения эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы d_2экв/d_1вн, 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

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:

F_o = 418311,48 - 3932364,5·d_1вн + 43809751,6· d_1вн ² - 160707,8·(d_2экв/d_1вн) +

+ 80169,4·(d_2экв/d_1вн) ² + 18906·n + 1696,8·n² - 7520,2·t_гвн + 44,6· t_гвн ² +

+ 3112465,2· d_1вн ·(d_2экв/d_1вн) - 430299· d_1вн ·n - 20514,4·(d_2экв/d_1вн) ·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 F_o=4222,4 руб. наблюдаются при следующих значениях факторов: внутренний диметр внутренней трубы d_1вн=0,034 м; отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы d_2экв/d_1вн=0,7; кратность подачи горячей воды n=3; начальная температура горячей воды t_гвн=82^оС.

Для секции охлаждения уравнение в раскодированном виде имеет вид:

F_o = 65842,6 - 3525048,3· d_1вн + 37299319,9· d_1вн ² –

- 70352,3·(d_2экв/d_1вн) + 24948,9· n + 2842807,8· d_1вн ·(d_2экв/d_1вн) –

- 381928,8· d_1вн · n - 17899,6·(d_2экв/d_1вн)· 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 F_o=4784,6 руб. наблюдаются при следующих значениях: внутренний диметр внутренней трубы d_1вн =0,0385 м; отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы d_2экв/d_1вн=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

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.