Микроволновая (свч) установка большой производительности для высокоинтенсивной тепловой обработки зерна и зерновых продуктов

УДК 664.7:621.365.55

МИКРОВОЛНОВАЯ (СВЧ) УСТАНОВКА БОЛЬШОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОЙ

ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ЗЕРНА И ЗЕРНОВЫХ ПРОДУКТОВ

B.П. Требух, О.А. Морозов, А.О. Морозов, А.Н. Симоненко, Г.Г. Юсупова,

C.Г. Карташов, А.В. Прокопенко

Разработана промышленная СВЧ-установка для высокоинтенсивной тепловой обработки зерна и зернопродуктов. Показана перспективность тепловой обработки зерна СВЧ-энергией для повышения питательности и обеззараживания зерновых продуктов. Представлен подход к созданию оптимальной конструкции волноводной рабочей камеры СВЧ-установки, работающей в режиме бегущей волны на частоте 915 МГц. Выполнен запуск и экспериментальное исследование работы установки при СВЧ-мощности 25 кВт. Определены параметры и режимы высокоинтенсивной тепловой обработки зерна и зерновых продуктов, которые показали перспективность применения разработанной СВЧ-установки в сельском хозяйстве.

Ключевые слова: СВЧ-энергия, промышленная СВЧ-установка, магнетрон, микроволновый, сверхвысокочастотный, температура, нагрев, интенсивный нагрев, тепловая обработка, зерно, зерновые продукты, обеззараживание, корм.

Введение

Развитие современных технологий во многом зависит от применения новых видов энергии, к числу которых относится СВЧ-энергия. Наиболее распространенными процессами в технологии переработки продукции являются тепловые процессы. Благодаря высокой проникающей способности электромагнитного поля нагрев неметаллических материалов происходит одновременно по всему объему, поэтому к обрабатываемым материалам может быть подведена большая мощность при минимальном градиенте температуры. СВЧ-нагрев является «чистым» методом нагрева, не вносящим загрязнений в материал, он безынерционен в управлении, позволяет концентрировать энергию в нужном месте и создавать новые эффективные технологические процессы. Промышленные СВЧ-установки могут иметь значительные мощности и обладать высокой производительностью.

СВЧ-энергия традиционно широко используется в пищевой промышленности для процессов конвекционной и вакуумной сушки, а также для приготовления и разогрева [1].

Обработка продуктов питания (сушка, стерилизация, пастеризация) при помощи СВЧ-энергии приобретает все большую популярность среди производителей долгохранящихся продуктов питания, различных сухих полуфабрикатов, закусок и т.п. Современные задачи развития сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности предусматривают увеличение степени переработки и повышение качества создаваемой продукции. Вопросы эффективного использования СВЧ-энергии в пищевой промышленности рассмотрены в [2].

В последние десятилетия в РАСХН были выполнены обширные исследования по воздействию СВЧ-энергии на зерновые продукты [3-11]. В этих работах исследовались вопросы сушки, предпосевной стимуляции, обеззараживания и дезинфекции зерна после и перед хранением, обработки почвы, предпомоль-ного прогрева и кондиционирования зерна; деструкции крахмала злаковых культур и др. На сегодняшний день эти направления применения СВЧ-обработ-ки зерна и зерновых продуктов признаны научным сообществом актуальными.

Процессы микроволновой обработки зерновых продуктов

Рассмотрим новые процессы с использованием СВЧ-обработки более подробно.

Процессы сушки зерна перед его хранением с использованием СВЧ-энергии исследовались с конца 70-х годов прошлого века. Использование энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот является одним из методов интенсификации процесса сушки сыпучих материалов. В результате быстрого повышения температуры внутри материала повышается давление водяных паров, при этом перенос пара на поверхность происходит как путем молекулярной диффузии, так и путем фильтрации его через поры и капилляры зерновок, что резко интенсифицирует процесс сушки [5].

Предпосевная микроволновая стимуляция семян зерновых культур заключается в энергетическом воздействии на его биохимический состав, при котором происходит активизация обменных процессов, связанных с усилением всхожести, роста и в дальнейшем с вегетацией и урожайностью растений.

Микроволновая стимуляция семян позволяет:

- обеспечить рост урожайности зерновых, бобовых, томатов, капусты, многолетних трав и др.;

- увеличить содержание сахара и каротина;

- получить ускорение прорастания семян и опережение сроков созревания урожая, что дает возможность проводить уборочные работы в более благоприятных условиях;

- выращивать культуры, ранее не успевавшие созревать в данном регионе, и вырастить второй урожай с одной площади.

Выращенные из семян, прошедших предпосевную микроволновую обработку, растения лучше зимуют. Обеззараживание и дезинсекция зерна также является задачей, которую можно решить, применив нагрев продукта электромагнитной СВЧ-энергией. Согласно [6] сущность проблемы состоит в следующем. В связи с ухудшением фитосанитарного состояния сельскохозяйственных угодий в настоящее время устойчиво сохраняется тенденция к нарастанию численности и распространению большинства возбудителей болезней зерновых культур в послеуборочный период. Зерно, поступающее на элеватор перед закладкой на хранение, имеет высокую степень зараженности сапрофитной и фи-топатогенной микрофлорой. В зависимости от погодных условий среднегодовые потери зерна составляют от 10 до 30%. В процессе сушки и очистки зерна на элеваторе степень его поверхностной зараженности снижается незначительно. Общее микробное загрязнение зерна, направляемого на хранение, составляет 5-106... 1-109 КОЕ/г. В процессе хранения происходит смена состава микроорганизмов. Большая часть эпифитных и фитопатогенных полевых микроорганизмов отмирает, и зерно заселяют возбудители плесени хранения - микроскопические грибы. Сейчас для решения этой задачи применяется химический метод обеззараживания, связанный с применением опасных химических веществ, остатки которых на зерне могут привести к серьезному отравлению и порче продукта. Обработка с помощью СВЧ-энергии позволяет решить эту проблему, обеспечив сохранность продукта.

Научно-техническая основа новой технологии связана с методом теплового воздействия на зерно и зерновые продукты энергией СВЧ-поля, при которой погибают внутренняя и внешняя микрофлора, а также насекомые-вредители, поражающие зерно. Одновременно улучшается качество зерна и увеличивается стойкость зерновой массы при хранении. Исследования доктора сельскохозяйственных наук Юсуповой Г.Г. по теме: «Обеспечение микробиологической безопасности зерновых культур в послеуборочный период на стадиях переработки» позволили создать технологические таблицы режимов СВЧ-обработки зерновой продукции по основным видам возбудителей грибной и бактериальной этиологии. В работах [6, 10] показана возможность обеспечить обеззараживание и дезинсекцию зерна при интенсивном СВЧ-нагреве до температур, не превышающих 60-80°С.

Новая технология позволит:

- обеспечить микробиологическую безопасность зерновых культур в послеуборочный период на стадиях мукомольного и хлебопекарного производств;

- производить дезинсекцию и обеззараживание зерновых продуктов в промышленных СВЧ-установках с производительностью до 5 т/ч.

Важная проблема при приготовлении комбикормов, которую можно решить с использованием СВЧ-энергии - это повышение питательных свойств зерновых культур методом деструкции структуры зерна. Суть его такова: при помещении зерна с влажностью примерно 17% в СВЧ-поле, обладающее высо-

кой интенсивностью, происходит вскипание капиллярной влаги. Избыточное давление паров воды может возрасти до такой степени, что окажется больше сопротивления внутренней структуры зерна и приведет к его разрушению. В результате «огромные» молекулы крахмала распадаются на более мелкие соединения - полисахариды. Полисахариды водорастворимы и хорошо перевариваются животными и птицами. В работах [8, 10] показано, что для достижения эффекта декстринизации необходимо нагреть зерно со скоростью не менее 10°С в секунду примерно до температуры 150°С. Таким образом, обычным электрофизическим воздействием достигается эффект изменения структуры зерна и повышения его питательной ценности. Усвояемость полученного продукта на 25-30% выше по сравнению с необработанным зерном. Такая СВЧ-обработка зерновых продуктов позволяет осуществить их обеззараживание и получить стерильный продукт, способствующий резкому снижению кишечных заболеваний. В работе [11] для декстринизации и обеззараживания зерна предлагается последовательно осуществить двухстадийный нагрев зерна: конвективным методом до 105-120°С и далее до 150-180°С в СВЧ-установке.

Интересные результаты по улучшению качества дефектного зерна представлены в работе [12]. В работе показано, что при тепловой СВЧ-обработке дефектного зерна пшеницы помимо сильного бактерицидного эффекта снижается активность амилолитических и протеолитических ферментов, повышается содержание сырой клейковины и значительно улучшается ее качество, улучшается белково-протеиназный и углеводно-амилазные комплексы муки.

Микроволновая установка для обработки зерновых продуктов

До настоящего времени не существовало промышленных установок, способных с большой производительностью СВЧ-методами проводить высокоинтенсивную тепловую обработку зерна и зерновых продуктов. Исследования по воздействию СВЧ-энергии на зерно и зерновые продукты в технологических процессах их переработки выполнялись, как правило, на установках малой мощности, не превышающей 5 кВт, и работающих на частоте 2450 МГц. Полученные результаты исследований доказали эффективность процессов СВЧ-обработки, однако не дали ответа на вопрос, в какой степени полученные зависимости могут быть перенесены на установки большей мощности и производительности, работающие на более низкой частоте 915 МГц. Научно-производственное предприятие ЗАО «НПП «Магратеп» в 2012г разработало и изготовило опытно-промышленную установку непрерывного действия для деструкции крахмала в зерне с одновременным обеззараживанием. В установке реализован интенсивный СВЧ-нагрев зерна в рабочей камере волноводного типа.

Созданная установка «Декстрин» для СВЧ высокоинтенсивной тепловой обработки зерна и зерновых продуктов может работать в режимах обеззараживания, предпосевной стимуляции, кормоприготовления и кондиционирования. В установке используется магнетрон М-175 на частоте 915 МГц с выходной СВЧ-мощностью до 30 кВт. Проведенные предварительные испытания показа-

ли, что производительность установки в режиме кормоприготовления (дист-рукции крахмала в пшенице) может достигать 320 кг/ч, а в режиме обеззараживания - 900 кг/ч. Установка может использоваться в крупных фермерских хозяйствах для приготовления кормов в птицеводстве и животноводстве.

На рис. 1 представлена 3-0 модель установки «Декстрин».

СВЧ-устанодка для высокоинтенсибной теплодой обработки зерна и зернодых продукта & "Декстрин"

Рассмотрим подробнее работу установки. Зерно из приемного бункера подается с помощью двойного самоочищающегося шнека в продуктопровод, установленный в волноводной рабочей камере.

Камера изготовлена из радиопрозрачного материала - фторопласта. Проходя внутри рабочей камеры, зерно нагревается до заданной температуры и далее выгружается с помощью шнека. Работа шнеков синхронизована и позволяет регулировать скорость прохода зерна через фторопластовую трубу. Волновод-ная рабочая камера питается от магнетронного блока СВЧ мощностью 25 кВт на частоте 915 МГц. Рядом с установкой расположен высоковольтный источник питания магнетрона и чиллер. Чиллер служит для охлаждения магнетрона и всех систем установки. Управление установкой осуществляется с пульта управления. В установке дополнительно предусмотрены узел орошения зерна, система удаления и конденсации пара.

В таблице 1 приведены основные характеристики установки.

МагнЩ 5.

Рис. 1. Э-Б модель установки «Декстрин»

Таблица 1. Основные характеристики установки «Декстрин»

Характеристика Значение

Производительность обработки, - декстринизация крахмала пшеницы, т/ч до 0,3

- предпомольный прогрев зерна, т/ч до 0,8

- обеззараживание и дезинсекция, т/ч до 0,9

- предпосевная стимуляция, т/ч до 2,0

Режим работы непрерывный

Частота генерации, МГц 915,0

Потребляемая мощность, кВт 45,0

Мощность СВЧ-генератора, кВт 25,0

2 Уровень паразитного СВЧ-излучения, мкВт/см , не более 10,0

Количество обслуживающего персонала в смену, чел. 1

Время готовности установки к работе, мин не более 10

габаритные размеры СВЧ-колонны, мм длина ширина высота 2410 2275 4210

Масса (без системы охлаждения и рекуперации), т 2,2

Режимы работы установки, определяемые температурой зерна на выходе, регулируются СВЧ-мощностью и скоростью прохода зерна. В установке возможно достижение температуры зерна на выходе до 150-170°С (в режиме декс-тринизации) и производительности по обработанному зерну до 2 т/час (в режиме предпосевной стимуляции). Особенностью работы установки является то, что процессы декстринизации крахмалов, идущие при температуре 150°С и скорости нагрева продукта более 10°С в секунду, происходят без удаления влажности в зоне интенсивного нагрева.

Рабочая камера установки волноводно-проходного типа выполнена на основе волновода прямоугольного сечения с волной Н10 с частичным заполнением диэлектриком. В центре волновода размещается толстостенная фторопластовая труба-продуктопровод с внутренним диаметром 195 мм, заполненная диэлектриком с потерями (например, пшеницей, имеющей диэлектрические характеристики 8=2,93 и 5 при влажности 9,9% на частоте 915 МГц). Из литературных данных [14] известно, что при заполнении сечения волновода в центральной части диэлектриком с потерями более чем на 10%, коэффициент затухания СВЧ-энергии в волноводе будет более 7 дБ/м. Изменяя длину волновода и степень заполнения его сечения диэлектриком, возможно достичь практически полного поглощения СВЧ-мощности в диэлектрике на установленной длине. При этом основные потери СВЧ-энергии приходятся на начальный участок волновода в месте ввода СВЧ-мощности.

Узел ввода мощности выполнен в виде поворотного рупорного перехода от прямоугольного волновода стандартного сечения и обеспечивает согласова-

ние рабочей камеры с магнетроном. Согласование достигается подбором угла наклона прямоугольного рупорного перехода относительно оси рабочей камеры. Для эффективной передачи СВЧ-энергии в рабочую камеру необходимо достижение минимального КСВН, а для устойчивой работы магнетрона необходимо обеспечить долговременный КСВН не выше 1,5. Для защиты магнетрон-ного генератора от режима работы при пустой или частично заполненной зерном рабочей камеры на конце волноводной рабочей камеры размещаются симметричные парные водяные нагрузки. Эти нагрузки в стационарном режиме нагрева зерна практически не поглощают СВЧ-мощность. Выполнено исследование электродинамических характеристик изготовленной волноводной рабочей камеры. С использованием векторного анализатора цепей фирмы АпгЙБи проведены исследования значения КСВН при заполнении рабочей камеры пшеницей с влажностью более 10%, которые показали, что в полосе 890-940 МГц значение КСВН не превысило 1,2. Исследования показали отсутствие значительного влияния водяной нагрузки на значение КСВН при заполненной зерном волноводной рабочей камере. На рис. 2 представлена фотография установки.

На этот участок приходится максимальная скорость нагрева зерна. Водяной пар, образующийся при нагреве зерна на данном участке, поднимается по фторопластовой трубе через зерно вверх и дополнительно прогревает его. Безопасность по СВЧ-излучению из узлов ввода и вывода зерна обеспечивается запредельным характером устройства шнеков.

В процессе пусконаладочных работ сняты зависимости температуры зерна на выходе установки от производительности при разном уровне СВЧ-мощ-ности. При малой скорости подачи зерна достигнута максимальная температура нагрева зерна 170°С. В процессе работы с установкой отмечена необходимость более тщательной разработки режимов обработки зерна. При исследовании работы установки контролировался уровень СВЧ-излучения, который оказался безопасным для работы персонала. В 2014 г. на этой установке предполагается выполнить обширный цикл экспериментальных исследований по разработке технологий обработки зерновых продуктов.

Рабочая камера установлена вертикально. Зерно под проталкивающим действием шнеков и за счет силы тяжести поступает сверху вниз к начальному участку камеры.

Рис. 2. Установка «Декстрин»

Заключение

Проведенный обзор работ по СВЧ-обработке зерновых культур показал перспективность использования СВЧ-энергии для повышения питательности комбикормов, повышения качества зерна, его обеззараживания и предпосевной обработки.

В ЗАО «НПП «Магратеп» разработана промышленная установка «Декстрин» с СВЧ-мощностью 25 кВт на частоте 915 МГц для СВЧ высокоинтенсивной тепловой обработки зерна и зерновых продуктов. Установка может работать в режимах обеззараживания, предпосевной стимуляции, кондиционирования и кормоприготовления. Проведены предварительные экспериментальные исследования этой установки, которые показали ее работоспособность и необходимость проведения на ней экспериментальных исследований по обработке зерновых культур. В 2014 гг. на этой установке предполагается выполнить обширный цикл экспериментальных исследований по разработке технологий обработки зерновых продуктов.

Литература:

1. Рогов И.А., Некрутман С.В. Сверхвысокочастотный и инфракрасный нагрев пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1976. 212 с.

2. Ломачинский В.А., Бабарин В.П., Прокопенко А.В. Эффективное использование СВЧ-энергии в пищевой промышленности // Известия РАН. 2008. №2. С. 88-98.

3. Семенова О.Л. Влияние режимных параметров СВЧ-установки на показатели качества пшеничной муки // Вестник Алтайского ГАУ. 2012. №1(87). С. 74-77.

4. Экспериментальное исследование процессов нагрева зерна при СВЧ рециркуляции / А.Н. Васильев [и др.] // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2011. №11. С. 28-29.

5. Будников Д.А. Интенсификация сушки зерна активным вентилированием с использованием электромагнитного поля СВЧ: автореф. дис. канд. техн. наук. Зерноград, 2008. 160 с.

6. Юсупова Г.Г. Обеззараживание зерна пшеницы энергией СВЧ-поля // Хранение и переработка сельхозсырья. 2003. №12. С. 67-69.

7. Касьяненко В.П. Обеззараживание зерна и комбикормов в поле СВЧ: автореф. дис. канд. техн. наук. М., 2002. 23 с.

8. Пахомов В.И. Повышение кормовой ценности зерна высокоинтенсивной тепловой СВЧ обработкой // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2004. №4. С. 4-5.

9. Пахомов В.И., Каун В.Д. Оптимизация тепловой обработки фуражного зерна СВЧ-энер-гией // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2000. №9. С. 8-10.

10. Бабенко А.А. СВЧ импульсная предпосевная обработка семян: автореф. дис. канд. техн. наук. М., 1993. 26 с.

11. Пат. 2333036 RU. Способ обработки зерновых материалов / В.И. Пахомов, А.В. Смоленский, П.А. Чапский [и др.]. Опубл. 18.04.07.

12. Рамазанов Р.Г., Резчиков В.А. Исследование структурно-механических свойств зерна при СВЧ обработке // Управление технологическими свойствами зерна: сб. докладов III Международной науч.-практ. конф. М., 2005. С. 142-144.

13. СВЧ установка для обработки зерновых культур / А.О. Морозов [и др.] // Научная сессия НИЯУ / МИФИ. М., 2013. С. 150.

14. Диденко А.Н., Зверев Б.В. СВЧ-энергетика. М.: Наука, 2000. 264 с.

Требух Валерий Петрович, начальник отдела перспективного развития Морозов Олег Александрович, директор Морозов Александр Олегович, аспирант

Симоненко Александр Николаевич, начальник группы качества, аспирант ЗАО Научно-производственное предприятие «Магратеп» Тел. (495) 225-6034 E-mail: magratep@mail.ru

Юсупова Галина Георгиевна, доктор сельскохозяйственных наук МГАУ им. В.П. Горячкина Тел. 8(926) 964-0379 E-mail: jusupow@mail.ru

Карташов Станислав Григорьевич, кандидат технических наук, начальник лаборатории

ГНУ ВИЭСХ

Тел. (499) 171-1881

E-mail: vestnikviesh@gmail.com

Прокопенко Александр Валерьевич, доцент, кандидат технических наук Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Тел. (495) 788-5699 E-mail: pav14@mail.ru

Industrial SHF system for highly intensive heat treatment of grain and grain products has been developed. Heat treatment of grain by SHF energy to increase nutritious-ness and disinfection of grain products is shown to have prospects. The approach towards creation of the optimal design of the waveguide working chamber of the SHF system operating in the mode of travelling wave on 915 MHz frequency has been presented. There have been made start-up and experimental investigation of the system operation at 25 kW SHF power. Parameters and conditions of highly intensive heat treatment of grain and grain products showing prospects of using the developed SHF system in agriculture have been determined.

Keywords: microwave energy, industrial SHF system, magnetron, microwave, heat, heating, intensive heat, thermal treatment, grain, grain products, disinfection, feed