Аннотация

Поиск и обоснование перспективных направлений повышения энергоэффективности технологических процессов пастеризации молока является актуальной научно-технической проблемой. Целью настоящей работы являлось получение сравнительной оценки эффективности технологий и технических устройств пастеризации молока с использованием электротехнологических средств.
Объектом исследования являлся процесс нагрева молока от 20 до 75 °С производительностью 1000 кг/ч при расчетной мощности 58,95 кВт в разных устройствах термической обработки молока: пастеризатор «водяной пар – молоко» с использованием электротехнологических средств нагрева, пастеризатор индукционного типа и термосифонный пастеризатор с использованием прямого или косвенного электронагрева. Использовали методы энергетического и эксергетического анализа.
Система «пастеризатор молока “водяной пар – молоко” с использованием электрического косвенного (с помощью элементного, индукционного) или прямого (электродного) нагрева» характеризуется следующими показателями: потери эксергии – 1,29 кВт, потребляемая мощность – 71,29 кВт, эксергетический КПД – 0,99, энергетический КПД – 0,827. Для системы «термосифонный пастеризатор с использованием прямого или косвенного электронагрева» характерны: потери эксергии – 1,29 кВт, потребляемая мощность – 60,92 кВт, эксергетический КПД – 0,99, энергетический КПД – 0,9676. Наименее конкурентоспособными параметрами обладает пастеризатор индукционного типа: потери эксергии – 10,8 кВт, потребляемая мощность – 70,43 кВт, эксергетический КПД – 0,867, энергетический КПД – 0,837.
Для повышения энергоэффективности процесса пастеризации молока целесообразно использовать систему «пастеризатор термосифонного типа с использованием прямого или косвенного электронагрева». Перспективным направлением дальнейших исследований следует считать совершенствование системы типа «пастеризатор индукционного типа».

Ключевые слова

Пастеризация, молочные продукты, эксергетическая эффективность, энергетическая эффективность, электротехнология, прямой нагрев, косвенный нагрев, индукционный нагрев, термодинамические свойства

Вклад авторов

А. А. Багаев – разработал концепцию и предложил методику исследования, сформулировал цель, выводы и перспективы исследования, провел анализ аналитических данных, осуществлял научное руководство, участвовал в подготовке 2/3 аналитической части исследования, редактировал статью до ее подачи в редакцию. С. О. Бобровский – провел обзор литературных источников по исследуемой проблеме, участвовал в подготовке 1/3 аналитической части исследования, участвовал в редактировании статьи до ее подачи в редакцию.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Heat exchangers [Internet]. [cited 03 Oct 2022]. Available from: https://pro-machine.ru/teploobmenniki
2. Tay TT, Chua YL. High temperature short time (HTST) camel milk pasteurization pilot plant. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2015;10(15):6241–6245.
3. Gana IM, Gbabo A. Design of mini plant for soya milk production and pasteurization. Agricultural Engineering International: CIGR Journal. 2017;19(4):45–53.
4. Mahmoud MZ, Davidson R, Abdelbasset WK, Fagirya MA. The new achievements in ultrasonic processing of milk and dairy products. Journal of Radiation Research and Applied Sciences. 2022;15(1):199–205. https://doi.org/10.1016/j.jrras.2022.03.005
5. Математическое моделирование процесса инфракрасной пастеризации молока / С. Т. Антипов [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2013. Т. 58. № 4. С. 67–72. https://www.elibrary.ru/RTUHAB
6. Ansari JA, Ismail M, Farid M. Extension of shelf life of pasteurized trim milk using ultraviolet treatment. Journal of Food Safety. 2020;40(2). https://doi.org/10.1111/jfs.12768
7. Setiawan B, Wakidah RN, Yulianto Y. Reflective array solar water heater for milk pasteurization. Journal of Environmental Research, Engineering and Management. 2020;76(4):131–137. https://doi.org/10.5755/j01.erem.76.4.24411
8. Tigabe S, Bekele A, Pandey V. Performance analysis of the milk pasteurization process using a flat plate solar collector. Journal of Engineering. 2022;2022. https://doi.org/10.1155/2022/6214470
9. Al-Hilphy ARS, Ali HI. Milk flash pasteurization by the microwave and study its chemical, microbiological and thermo physical characteristics. Journal of Food Processing and Technology. 2013;4(7).
10. Roy J, Latif UI, Mujnibeen MSA, Kabir MS, Islam MI, Alam KS. Effect of microwave heat treatment on the quality of milk. International Journal of Recent Scientific Research. 2017;8(9):19766–19771.
11. Al-Hilphy ARS. Designing and manufacturing of a non thermal milk pasteurizer using electrical field. American Journal of Agricultural and Biological Sciences. 2013;8(3):204–211. https://doi.org/10.3844/ajabssp.2013.204.211
12. Shabbir MA, Ahmed H, Maan AA, Rehman A, Afraz MT, Iqbal MW, et al. Effect of non-thermal processing techniques on pathogenic and spoilage microorganisms of milk and milk products. Food Science and Technology. 2021;41(2):279–294. https://doi.org/10.1590/fst.05820
13. Riazantseva KA, Sherstneva NE. Traditional and innovative uses of ultraviolet treatment in the dairy industry. Food Processing: Techniques and Technology. 2022;52(2):390–406. (In Russ.). https://doi.org/10.21603/2074-9414-2022-2-2372
14. Başaran A, Yilmaz T, Çivi C. Energy and exergy analysis of induction-assisted batch processing in food production: a case study – strawberry jam production. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2020;140:1871–1882. https://doi.org/10.1007/s10973-019-08931-0
15. Başaran A, Yılmaz T, Azgın ŞT, Çivi C. Comparison of drinking milk production with conventional and novel inductive heating in pasteurization in terms of energetic, exergetic, economic and environmental aspects. Journal of Cleaner Production. 2021;317. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128280
16. Razak ARA, Ibrahim NM, Rahman ASF, Fayzul M, Azizan MM, Hashim U, et al. Induction heating as cleaner alternative approach in food processing industry. Journal of Physics: Conference Series. 2021;1878. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1878/1/012053
17. Wu S, Yang N, Jin Y, Li D, Xu Y, Xu X, et al. Development of an innovative induction heating technique for the treatment of liquid food: Principle, experimental validation and application. Journal of Food Engineering. 2020;271. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2019.109780
18. Обоснование параметров конструктивных элементов индукционного нагревателя для пастеризации молока в потоке / С. В. Соловьёв [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. Т. 75. № 1. С. 100–103. https://www.elibrary.ru/YXZMVV
19. Казаков Р. А., Дарда И. В., Зволинский В. П. Основы теоретического анализа энергетической и экологической эффективности металлургических предприятий // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. https://www.elibrary.ru/PBIQVX
20. Başaran A, Yılmaz T, Çivi C. Application of inductive forced heating as a new approach to food industry heat exchangers. A case study – Tomato paste pasteurization. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2018;134:2265–2274. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7250-7
21. Bejan A. Fundamentals of exergy analysis, entropy generation minimization, and the generation of flow architecture. International Journal of Energy Research. 2002;26(7):545–565. https://doi.org/10.1002/er.804
22. Bagaev AA, Bobrovskiy SO. Results of simplified mathematical modeling of liquid temperature distribution in the heat exchange channel of an electric heater with an internal heat source. Bulletin of Altai State Agricultural University. 2021;204(10):117–122. (In Russ.). https://doi.org/10.53083/1996-4277-2021-204-10-117-122
23. Increasing the thermal stability of milk: A solution for lower labor costs and better products [Internet]. [cited 03 Oct 2022]. Available from: https://ssnab.ru/news/povyshenie-termoustoychivosti-moloka-reshenie-pozvolyayushchee-sokratit-trudozatraty-i-proizvodit-ka