Оптимизация параметров и режимов работы установки термизации молока на фермах крупного рогатого скота

Вступивший в действие 12 июня 2008 года Федеральный закон № 88 -ФЗ «Технический регламент на молоко и молочную продукцию» ужесточил требования к безопасности сырого молока. В основном это коснулось микробиологических показателей: количества мезофильных аэробных микроорганизмов и факультативно-анаэробных микроорганизмов и числа соматических клеток в 1 см. В связи с этим сельхозпроизводители оказались в сложной ситуации. По данным департамента сельского хозяйства Вологодской области сельхозпредприятиями до вступления закона в действие в 2008 году в области произведено и сдано на молочные заводы 77% молока высшего сорта, 20% - первого сорта и 3% - второго. А уже в 2009 году показатели сортности упали до величин: 12% - высший сорт, 71% - первый сорт и 15% - второй. За 11 месяцев 2010 года в области произведено 26,9% молока высшего сорта, 67,7% - первого сорта и 5,4% - второго. Это связано с тем, что бактериальная обсемененность молока остается прежней, а требования к сортности молока повышены.

Решением проблемы высокой бактериальной обсеменённости молока-сырья, на первый взгляд, является предотвращение его загрязнения в процессе производства, первичной обработки, хранения и транспортировки на перерабатывающие предприятия. Однако часто причины бактериального загрязнения молока кроются в ухудшении экологической обстановки. 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 улучшить его путём снижения начальной бактериальной обсеменённости. Повышение качества молока-сырья занимает особое место в рациональном использовании сырьевых ресурсов при их промышленной переработке.

Применяемые способы первичной обработки молока-сырья сводятся к охлаждению молока сразу после доения с целью продления бактерицидной фазы. Эти способы лишь предотвращают развитие бактерий, но не снижают их количество и не позволяют улучшить качество выдоенного молока. Из известных способов снижения бактериальной обсемененности, применяемых на перерабатывающих предприятиях, наиболее эффективным при сохранении свойств сырого молока является нагревание молока до 60−68°С с выдержкой до 30 секунд и последующим охлаждением до температуры хранения 4 °C. Применение такой термизации молока, как операции в составе технологического процесса первичной обработки молока позволяет сельхозпроизводителям решить проблему качества молока-сырья, связанную с высокой бактериальной загрязнённостью и повысить сортность молока-сырья.

Применение термизации, помимо повышения качества молока, позволяет малым фермам и фермерским хозяйствам, удаленным от перерабатывающих предприятий сократить транспортные расходы за счет накопления молока для более полной загрузки молоковоза, доставки молока на переработку один раз в два дня без потери сортности молока.

Известные промышленные установки для тепловой обработки молока рассчитаны в основном для применения их на перерабатывающих предприятиях, не отвечают требованиям современного производства в условиях малых ферм из-за большой металлоемкости, сложности технического обслуживания, низкой надежности и высокого энергопотребления. Поэтому исследования по совершенствованию конструктивно-технологической схемы и определению рациональных параметров и режимов работы установки термизации молока-сырья в условиях малых ферм являются актуальными и имеют важное значение для экономики сельскохозяйственного производства.

Исследования выполнялись в соответствии с планами НИР ВГМХА им. Н. В. Верещагина по теме: «Ресурсои энергосберегающие технологии в молочном животноводстве» с номером государственной регистрации 01.2.311 789, код 68.85.39.

Тема диссертационной работы утверждена приказом № 61-У от 18.02.2009 по ВГМХА им. Н. В. Верещагина.

Цель исследования. Повышение качества молока-сырья, производимого на фермах крупного рогатого скота, за счёт снижения бактериальной загрязнённости путём совершенствования конструктивно-технологической схемы установки термизации молока и оптимизации ее параметров и режимов работы.

Объект исследования. Установка термизации молока-сырья, предназначенная для работы в молочных линиях животноводческих ферм. Научную новизну исследований составляют:

— усовершенствованная конструктивно-технологическая схема установки для термизации молока;

— теоретические предпосылки по обоснованию рабочего процесса установки термизации молока;

— математические модели рабочего процесса термизации молока, рациональные параметры и режимы работы установки термизации;

— теоретические и экспериментальные коэффициенты теплопередачи секций нагрева и охлаждения установки термизации;

— результаты производственной проверки влияния термизации молока-сырья на динамику показателей молока в процессе хранения.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Использование предложенной установки для термизации молока в технологическом процессе первичной обработки молока улучшает микробиологические показатели молока-сырья, не оказывая влияния на изменение физико-химических и органолептических свойств. Повышается сортность молока, увеличивается срок хранения на ферме до отправки на переработку до двух суток. Это дает возможность сельхозпредприятиям сократить транспортные расходы при малых объемах производства за счет накопления молока до более полной загрузки. Результаты исследований использованы машиностроительными предприятиями ООО «Протемол» (г. Вологда) и ООО «ТД «РосМолСнаб» (г. Барнаул) при разработке производственных установок термизации молока, предназначенных для использования на фермах крупного рогатого скота (приложения А, Б). Материалы исследований используются в учебном процессе на инженерном и зооинженерном факультетах ВГМХА им. Н. В. Верещагина (приложение В).

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и одобрены на ежегодных научно-практических конференциях ФГОУ ВПО ВГМХА им. Н. В. Верещагина (2007;2009 г.) — на ежегодных смотрах-сессиях аспирантов и молодых ученых по отраслям наук в ВГМХА им. Н. В. Верещагина (2008 г.) и ВоГТУ (2010 г.) в г. Вологдана ежегодной научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов в СПбГАУ в г. Санкт-Петербург (2011 г.).

Публикации. Опубликовано 10 работ общим объемом 2 печатных листа, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Основные положения, выносимые на защиту:

— усовершенствованная конструктивно-технологическая схема установки термизации молока;

— математические модели рабочего процесса термизации молока;

— математические зависимости для обоснования рациональных параметров и режимов работы установки для термизации молока;

— результаты испытаний влияния термизации молока сразу после доения на динамику показателей молока-сырья в процессе хранения;

— технико-экономическая эффективность использования установки термизации молока.

Объем и структура диссертации. Диссертация включает введение, пять разделов, выводы и предложения. Содержит 150 страниц основного.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

1. В результате анализа выявлено, что наиболее перспективным направлением совершенствования технологического процесса первичной обработки молока-сырья с целью повышение качества молока является тепловая обработка. Выполненные исследования позволили обосновать, разработать и испытать экспериментальный образец установки термизации молока-сырья, которая значительно повышает эффективность процесса.

2. Теоретическими исследованиями получена аналитическая зависимость, позволяющая определять расчетные коэффициенты теплопередачи для установки термизации молока. Результаты экспериментальных исследований подтвердили и уточнили расчетные значения, что позволило скорректировать рациональные параметры и режимы работы установки термизации.

3. Теоретическими исследованиями нолучены: аналитические зависимости (2.68−2.73) для расчета параметров и режимов работы трубчатой секции нагрева установки термизациианалитические зависимости (2.74−2.78) для расчета параметров и режимов работы трубчатой секции охлаждения установки термизации. Определены с помощью компьютерной программы оптимальные значения для секции нагрева: внутренний диаметр внутренней трубы — 0,032 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы — 0,7, кратность подачи горячей воды — 2,9, начальная температура горячей воды — 82°Сдля секции охлаждения: внутренний диаметр внутренней трубы — 0,037 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы — 0,7, кратность подачи холодной воды — 3,2.

4. Результаты экспериментальных исследований подтвердили основные выводы теоретических предпосылок и позволили получить математические модели рабочих процессов нагрева и охлаждения молока установки термизации (3.35) и (3.37). На основании анализа полученных моделей определены оптимальные параметры и режимы установки термизации молока для трубчатой секции нагрева: внутренний диаметр внутренней трубы 0,036 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы 0,7, кратность подачи горячей воды 3, начальная температура горячей воды 82°Сдля трубчатой секции охлаждения: внутренний диаметр внутренней трубы 0,0385 м, отношение эквивалентного диаметра наружной трубы к внутреннему диаметру внутренней трубы 0,7, кратность подачи холодной воды 3,5.

5. Производственная проверка показала, что применение установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока позволяет: уменьшить начальное количество микроорганизмов в 3−4 раза, перевести молоко из первого сорта в высший, сохранить КМАФАнМ на уровне стандарта в течение 48 часов до переработки, снизить количество соматических клеток в 5−6 раз, перевести молоко из первого сорта в высший по данному показателюпредотвращает повышение кислотности при длительном хранении до переработки (в течение 48 часов), не оказывает влияния на целостность фермента фосфотазы, не изменяет группу термоустойчивости.

6. Применение установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока для фермы с годовым объемом производства 220 тонн позволяет снизить транспортные затраты по доставке молока на переработку на 96 524 руб., увеличить прибыль за счет повышения сортности молока на 325 324 руб. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения составляет 412 665 руб.

Исследования молока-сырья на наличие фосфотазы по ГОСТ 362 373 [27] после первичной обработки предлагаемым способом при термизации и охлаждении сразу после доения показали, что целостность фермента не нарушается, тепловая обработка не выявлена. Исследования всех проб молока на термоустойчивость по алкогольной пробе согласно ГОСТ 25 228–82 [25] показали, что группа термоустойчивости остается одинаковой во всех сериях опытов сразу после первичной обработки и в течение двух суток хранения при первичной обработке и базовым и предлагаемым способами. 4.3 Заключение и выводы по главе.

Исследования показали, что предлагаемый способ первичной обработки молока-сырья, включающий нагрев молока сразу после доения до температуры 63 °C, выдержку в течение 15 с, и немедленное охлаждение до температуры хранения 4°С:

1) позволяет уменьшить начальное количество микроорганизмов в свежевыдоенном молоке в 3−4 раза, перевести молоко из первого сорта в высший;

2) позволяет сохранить КМАФАнМ сырого молока на уровне стандарта в течение 48 часов до переработки, что делает возможным накопление молока на малых фермах в течение двух суток до более полной загрузки молоковоза с целью сокращения транспортных затрат;

3) позволяет снизить количество соматических клеток в молоке в 5−6 раз, перевести молоко из первого сорта в высший по данному показателю;

4) предотвращает повышение кислотности молока при длительном хранении до переработки (в течение 48 часов);

5) не оказывает влияния на целостность фермента фосфотазы, являющейся показателем отсутствия тепловой обработки сырого молока;

6) не изменяет группу термоустойчивости молока.

Таким образом, применение предложенного способа улучшает микробиологические показатели молока-сырья, не оказывая влияния на изменение его физико-химических и органолептических свойств. Повышается сортность молока, увеличивается возможный срок хранения его на ферме до отправки на переработку до двух суток.

5 ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.

Результаты исследований использованы техническим отделом ООО «Протемол» (г. Вологда) при разработке серийной производственной установки для термизации и охлаждения молока на фермах крупного рогатого скота, что подтверждено справкой о внедрении (приложение А).

Разработанная установка отличается низким энергопотреблением по сравнению со всеми существующими промышленными пластинчатыми и трубчатыми установками для тепловой обработки молока.

Конструкторско-техническим отделом ООО «ТД «РосМолСнаб» (г. Барнаул) с использованием результатов исследований и полученной методики расчета разработана установка термизации молока-сырья для ферм производительностью 500 л/ч, позволяющая осуществлять нагрев молока с 36 °C до 63 °C ±-1°С, производить выдержку в течение 15 с, охлаждать молоко до 36 °C ±-1°С (приложение Б). Разработанная установка позволяет с требуемой точностью выдерживать тепло-временные режимы при минимальном энергопотреблении.

Результаты научных исследований по методике расчета установки термизации и совершенствованию технологического процесса первичной обработки молока-сырья используются в учебном процессе (приложение В) инженерного и зооинженерного факультетов ФГОУ ВПО ВГМХА им. Н. В. Верещагина на кафедре механизации и электрификации животноводства при подготовке специалистов сельскохозяйственного производства.

Оценка технико-экономической эффективности использования разработанной установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока проводилась для фермы крестьянско-фермерского хозяйства в деревне Нестерово Сокольского района Вологодской области на основании производственной проверки, осуществленной в период с 1 ноября по 30 декабря 2011 года. На ферме за год производится около 220 тонн молока, которое доставляется на переработку каждый день молоковозом на расстояние 90 км. За 2010 год 75% молока было сдано первым сортом и только 25% высшим. Для данного предприятия особо актуальны проблемы повышения сортности и накопления молока до более полной загрузки молоковоза и сокращения за счет этого транспортных затрат. В настоящее время на ферме применяется схема первичной обработки молока, включающая доение в молокопровод, очистку от механических примесей рукавным и металлическим щелевым фильтрами, мгновенное охлаждение ледяной водой и хранение в теплоизолированном резервуаре до отправки на переработку (рисунок 4.1). Такая схема первичной обработки является лучшей существующей по способности максимально сохранять качество молока-сырья. Предлагаемое усовершенствование базовой схемы предполагает внедрение операции термизации молока при температуре 63 °C с выдержкой 15 секунд сразу после доения, когда молоко уже имеет начальную температуру 36 °C, и дальнейшее охлаждение его холодной водой до 36 °C. Данную операцию с минимальными затратами на рабочий процесс при минимальных капитальных затратах можно осуществить при использовании разработанной установки термизации с рациональными параметрами и режимами работы непосредственно перед проточным охладителем существующей на ферме схемы первичной обработки. Как показали исследования, представленные в разделе 4, предлагаемое усовершенствование базовой схемы позволяет:

1) сократить транспортные расходы за счет доставки молока-сырья с фермы на молочный завод один раз в два дня;

2) получить дополнительную прибыль за счет сдачи молока на молочный завод высшим сортом вместо первого.

Расчет технико-экономической эффективности использования разработанной установки термизации в технологическом процессе первичной обработки молока приведен в приложении Ж. Результаты расчета представлены в таблице 5.1 и подтверждены актом производственной проверки (приложение Е).