Научное обоснование и промышленная реализация инновационных технологий санитарной обработки оборудования в молочной промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Научное обоснование и промышленная реализация инновационных технологий санитарной обработки оборудования в молочной промышленности

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кузина Жанна Ивановна

Москва 2010

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИМИ Россельхозакадемии)

Научный консультант: Академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Харитонов Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Тихомирова Наталья Александровна

Доктор биологических наук Донская Галина Андреевна

Доктор технических наук Творогова Антонина Анатольевна

Ведущая организация: Московский государственный университет пищевых производств (МГУПП)

Защита состоится «01» июля 2010г. в 13⁰⁰ ч. на заседании диссертационного совета ДМ 006.021.01 при Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышленности им. В.М. Горбатова Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИМП) по адресу: 109316, Москва, ул. Талалихина, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИМП.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации «апрель» 2010 года, разослан «___» мая 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.Н. Захаров

отложение оборудование молочный моющий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. В соответствии с Федеральным законом о качестве и безопасности пищевых продуктов (с изменениями от 30 декабря 2001 г., 10 января, 30 июня 2003 г.) и документом "Технический регламент на молоко и молочную продукцию" задачей предприятий молочной отрасли является выпуск безопасной и качественной молочной продукции. Выполнение этих требований обеспечивается за счет соблюдения санитарно-эпидемиологических правил и норм (СанПиН 2.3.4.551-96), немаловажную роль при этом играет применение рациональных технологических режимов мойки и дезинфекции оборудования. Важность этого этапа заключается в том, что остаточные количества молочного продукта являются питательной средой для размножения любой микрофлоры, в том числе и патогенной. В связи с этим насколько качественно проведена санитарная обработка оборудования, настолько качественной будет получена на нём молочная продукция. Обеспечение этих параметров достигается применением современных моющих и дезинфицирующих средств. Ассортимент молочной продукции, специфика её технологических параметров требует и специфического подхода к мойке и дезинфекции оборудования. Разнообразие видов ёмкостного оборудования, их технического назначения и условий эксплуатации предполагает различие составов отложений на их поверхностях и, соответственно, индивидуального подхода к режимам санитарной обработки. До последнего времени на большинстве молочных предприятий традиционно используют гидроксид натрия (каустическую соду), карбонат натрия (кальцинированную соду) и кислоты: азотную и сульфаминовую. Моющая и очищающая способность этих средств недостаточно эффективна, в связи с чем возникает необходимость проведения повторных процессов мойки. Обеспечение требуемого качества мойки такого вида оборудования (пастеризаторы, стерилизаторы и вакуум-аппараты), в процессе работы которого на их греющих поверхностях образуются молочные пригары с высокой степенью адгезии, возможно только с применением средств, обладающих смачивающей, эмульгирующей и грязенесущей способностями, которые ранее в отечественной практике не применялись. Поэтому на практике используют механическую обработку внутренних поверхностей оборудования скребками и специальными металлическими щетками. Так как высокотемпературной обработке подвергается не только молоко, но и молочные смеси многокомпонентного состава, содержащие, как минимум, сухое молоко, какао-порошок и растительные жиры, удаление образующихся отложений представляет собой сложную задачу. Низкий уровень внедрения мембранной технологии переработки молочного сырья, позволяющей повысить степень использования белка на пищевые цели, частично также связан с проблемой очистки мембран, отсутствием специальных отечественных моющих средств для их регенерации и восстановления.

Цель и задачи исследований. Теоретически обосновать и экспериментально установить основные закономерности удаления сложных белково-жировых отложений и разработать эффективные инновационные технологии санитарной обработки оборудования в молочной промышленности.

Для реализации поставленной цели при выполнении работы последовательно решены следующие задачи:

- провести анализ результатов ранее проведенных исследований и практических приёмов в области санитарии молочного производства и определить концепцию научной и технической программы по усовершенствованию процессов санитарной обработки оборудования в молочной промышленности;

- установить закономерность процесса растворения белково-жировых отложений (БЖО) от вида и концентраций щелочных электролитов и поверхностно-активных веществ (ПАВ);

- создать новые эффективные моющие средства (МС) для усовершенствования технологии мойки ёмкостного оборудования и трубопроводов;

- теоретически и экспериментально обосновать и разработать энергосберегающую технологию одновременной мойки и дезинфекции ёмкостного и специализированного оборудования по производству цельномолочной, маслодельной и сыродельной продукции;

- исследовать составы молочных отложений на внутренних поверхностях пастеризаторов, стерилизаторов, вакуум-аппаратов, сушильных установок и усовершенствовать технологию их мойки;

- научно обосновать и разработать рациональные составы моющих средств, обеспечивающих очистку различных видов мембран ультрафильтрационных установок (УФ-установок) от белково-жировых и минеральных отложений;

- усовершенствовать способ утилизации отработанных моющих растворов перед сбросом их в канализационные системы;

- осуществить реализацию научных и практических решений по технологии санитарной обработки оборудования в молочной отрасли.

Научная новизна работы.

Разработаны инновационные решения по технологии санитарной обработки оборудования в молочной промышленности, обеспечивающие энергосберегающий эффект, импортозамещаемость и соответствие мировому уровню.

Установлены количественные закономерности степени растворения молочных отложений, образующихся на поверхности ёмкостного оборудования и трубопроводов от вида, концентрации и соотношения химических веществ и композиций на их основе.

Выявлено рациональное сочетание смесей щелочных солей натрия и поверхностно-активных веществ (ПАВ), предотвращающее образование на поверхности ёмкостного оборудования и трубопроводов минерализовавшегося загрязнения (молочного камня и солей жесткости воды).

Установлено рациональное соотношение комплекса натриевых солей и дезинфицирующих агентов, обеспечивающее одновременно мойку и дезинфекцию оборудования и трубопроводов в одном процессе, сокращение продолжительности санитарной обработки и энергозатрат.

Уточнены химические составы отложений на поверхностях теплообменного оборудования, позволившие осуществить научный подход к проведению экспериментов по усовершенствованию технологии мойки пастеризаторов, стерилизаторов, вакуум-аппаратов и сушильного оборудования.

Установлена зависимость степени растворения молочного пригара от природы щелочных компонентов и их соотношения с поверхностно-активными веществами (ПАВ), обеспечивающих гидролиз, эмульгирование и удаление белково-жировых фракций молочного отложения с поверхности теплообменного оборудования при различных условиях их применения (концентрации, температуры, времени воздействия).

Выявлена зависимость продолжительности растворения молочного камня от природы кислоты, вида ПАВ и их соотношений, а также условий применения (концентрации и температуры), способствующих полному растворению и удалению минеральной части молочного отложения с поверхностей теплообменного оборудования.

Установлены основные закономерности растворения белково-жировых отложений на поверхности ультрафильтрационных мембран в процессах переработки молочного сырья и восстановления их проницаемости.

Практическая значимость работы и внедрение.

Усовершенствованы и разработаны новые технологии санитарной обработки оборудования на предприятиях молочной промышленности. Для реализации указанных технологий были разработаны рецептуры порошкообразных щелочных (10) и кислотных (3) моющих средств и утверждена в установленном порядке действующая отраслевая техническая документация с передачей её химическим предприятиям (ЗАО "Экохиммаш" (Костромская область), ООО "Алтайхимпром" (Бийск), ЗАО "Синтез" (Костромская область) на производство в виде ТУ. Общий объём производства разработанных моющих средств составляет 120 т/год, который реализован более чем на 250 предприятиях молочной промышленности и в других отраслях агропромышленного комплекса (мясной, кондитерской, хлебопекарной, пивобезалкогольной и рыбной) России, Республики Беларусь, Украины, Казахстана и Молдовы (одно из них - "РОМ-АЦ-1" удостоено серебряной медали ВДНХ, а средство МД-1" (Катрил-МД-1) вошло в список лучших 100 продуктов 2009 г.).

Для предприятий различной технологической направленности разработаны и утверждены в соответствующем порядке 14 инструкций по санитарной обработке различных видов оборудования, реализованы на всех действующих предприятиях, производящих молочную продукцию, в том числе и продукты детского питания. Разработана новая методика тонкослойной хроматографии для раздельного определения неионогенных и катионных поверхностно-активных веществ (ПАВ), обеспечивающая контроль их концентрации в растворах моющих средств и определение полноты смывания остатков ПАВ с поверхности оборудования (по контролю их в смывной воде);

Преимуществом порошкообразных моющих средств является возможность транспортирования и хранения их в условиях низких температур России: Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока.

Разработана установка для нейтрализации отработанных моющих растворов, отличительным признаком которой является упрощение её конструкции, обеспечение надежности работы установки, возможность проведения процесса нейтрализации одновременно с мойкой оборудования и сброса в канализационные стоки полностью нейтрализованных отработанных моющих растворов.

Проведенные расчеты показали высокую экономическую эффективность внедрения усовершенствованных технологических режимов санитарной обработки оборудования с применением разработанных моющих средств.

Разработки защищены 14 авторскими свидетельствами и патентами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы, были доложены и опубликованы на конференциях и симпозиумах, проводимых в системе Минмясомолпрома СССР (1987-1992г); 24-ом Международном молочном Конгрессе (Австралия, 1994г.); Международной научно-технической конференции "Прикладная биотехнология на пороге XXI века" (Москва, 1995г.); Международной конференции "Научные и практические аспекты совершенствования качества продуктов детского и геродиетического питания" (Истра, 1997г.), 1V Специализированном конгрессе "Молочная промышленность Сибири" (Барнаул, 2004г.); Научно - практической конференции "Развитие масложировой, маслодельной и сыродельной промышленности" (Москва, 2005г.); Международной научно - практической конференции "Молочная промышленность" (Москва, 2006 г.); Всероссийской научно - практической конференции "Проблемы и перспективы развития инновационной деятельности в агропромышленном производстве" (Уфа, 2007г.); Симпозиуме Международной Молочной Федерации "Лактоза и ее производные" (Москва, 2007 г.); Международной конференции "Неделя молочной промышленности" (Ереван, 2007), Научно-практическом семинаре "Санитарная обработка и гигиена на молочных предприятиях согласно требований Федерального закона №88-ФЗ от 12.06.09" (Краснодар, 2009); Региональной конференции "Теоретические и практические аспекты санитарной обработки оборудования на предприятиях молочной промышленности" (Киров, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 86 работ, в том числе 24 статьи в журналах, рекомендованных ВАК и международных конгрессах и симпозиумах, 4 обзорные информации, 14 авторских свидетельств и патентов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методов и результатов исследований, изложенных в девяти главах, выводов, списка литературы и основных обозначений и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассмотрения поставленной проблемы, целесообразность проведения намеченных исследований, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая значимость выносимых на защиту положений.

В первой главе "Научные и практические основы санитарной обработки оборудования на предприятиях молочной промышленности" представлен анализ результатов исследований отечественных и зарубежных авторов по изучению механизмов и факторов, способствующих образованию белково-жировых загрязнений на поверхности оборудования и способов их предотвращения: Демурова И.Г., Шилера Г.Г., Молочникова В.В., Суркова В.Д., Свидерского В.В., Дегтярева Г.П., Geffers H., Lyster R.L., Burton H, Nisbet T.J., Land D.B., Birby D., Ginning K., Thome K.E., и других. Проанализированы и обобщены данные ряда ученых по проблеме удаления загрязнений с поверхностей оборудования (Яблочкин В.Д., Золотин Ю.П., М., Брио Н.П., Цюльсдорф М., Коoраl L.K. и др.), а также проведен анализ преимуществ и недостатков различных химических веществ и порошкообразных моющих композиций в процессах гидролиза и растворения белково-жировых и минеральных составляющих загрязнений (Ребиндер П.А., Абрамзон А.А.., Ланге К.Р., Зайченко А.И. и другие), что позволило обосновать необходимость усовершенствования процессов санитарной обработки. Определены научно-методический подход и направление к решению проблемы, поставлена цель и задачи её выполнения. Обосновано создание рецептур моющих средств порошкообразного вида, эффективных по моющей способности к различным видам молочных загрязнений. Выполнение поставленных задач потребовало проведения комплексных исследований по подбору рациональных соотношений электролитов, ПАВ, а также веществ, стабилизирующих их активность в разрабатываемых композициях как щелочного, так и кислотного видов. Эти задачи необходимо было решать экспериментальным путем в каждом конкретном случае, в зависимости от вида оборудования, технологических режимов обработки молочного продукта на нём, состава и структуры образующегося при этом загрязнения.

Вторая глава посвящена методологии и организации проведения исследований. На рис.1 представлены основные виды оборудования, усовершенствование технологии санитарной обработки которых позволит решить одну из проблем, затронутых федеральной программой "О качестве и безопасности пищевых продуктов". На рисунке 2 представлена схема экспериментальных и практических работ, указывающая на взаимосвязь основных этапов работы с объектами и методами исследований и достижение результатов научного и практического выполнения поставленных задач. В соответствии с поставленной целью и решением задач исследования проводились в несколько этапов в зависимости от видов оборудования и составов загрязнений, образующихся на них.

Объектами исследования являлись модельные загрязнения, образующиеся на их поверхности при концентрировании раствора сухого обезжиренного молока с 18 % сухих веществ в течение 2 часов. Значения рН, концентрации щелочных и кислотных растворов определяли стандартными методами кислотно-щелочного титрования.

Рис. 1 Упрощенная схема видов оборудования, задействованного в производстве молочной продукции; виды загрязнений на их поверхностях

Первый этап лабораторных исследований был связан с определением степени растворения молочных белково-жировых отложений (БЖО) в растворах различных порошкообразных щелочных электролитов. Эксперименты проводили по методике, утвержденной во ВНИМИ, с использованием лабораторной ультрафильтрационной установки (УФ-установки) и полисульфоновых мембран.

Рис. 2 Схема проведения работ

Степень растворения БЖО устанавливали по разнице водопроницаемости мембраны до, и после очистки её растворами щелочных электролитов и их смесей. Данные, полученные экспериментальным путем, обрабатывали методом математической статистики. Наличие в загрязнениях жировых фракций потребовало изучения степени их эмульгирования в растворах различных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Объектами исследований в эксперименте являлись смесь молочного и растительного жиров (1:1) и ПАВ.

Второй этап исследований был связан с разработкой технологических решений санитарной обработки ёмкостного оборудования, задействованного в производстве цельномолочных и молокосодержащих продуктов. Объектами исследований являлись резервуары, трубопроводы, насосы, открытые ёмкости и образующиеся на их поверхностях БЖО при производстве молока, масла, творога и творожных изделий, а также химические компоненты и их соотношения с целью обеспечения максимальной степени растворения БЖО.

Следующий, третий этап исследований был связан с усовершенствованием технологических режимов мойки теплообменных аппаратов (пастеризаторов, стерилизаторов и вакуум-аппаратов). Объектами исследований являлись загрязнения, образующиеся на их поверхностях: молочный пригар и молочный камень. В зависимости от их составов проводили подбор химических веществ и их соотношений, усиливающих эффект растворения и на базе полученных результатов - разработку технологии очистки оборудования.

На четвертом этапе работы исследования проводились с целью разработки технологических режимов мойки и очистки (регенерации) УФ-установок. Объектами экспериментов были приняты БЖО на мембранах УФ-установок, химические компоненты, индеферентные по отношению к материалу мембран и одновременно эффективные по степени растворения образующихся на них отложений.

Пятый этап работы связан с утилизацией отработанных моющих растворов (щелочных и кислотных). Проведен анализ существующих устройств для нейтрализации отработанных жидкостей перед сбросом их в канализационные системы. В этом случае объектами исследований принимались щелочные и кислотные растворы после использования их в процессах многократной мойки емкостей и теплообменного оборудования. В процессе экспериментов определяли концентрацию основных веществ в отработанных моющих растворах, их бихроматную окисляемость (ХПК) и содержание взвешенных веществ с использованием общепринятых методов.

Составы отложений с поверхностей различных видов оборудования анализировали с применением стандартных и общепринятых методов. Содержание белка определяли по методу Дюма; жира - по методу Гербера; воды (общей и кристаллизационной) - по методу Фишера, а количество свободной воды - методом высушивания. Минеральная часть белково-жировых отложений определялась за вычетом белка, жира и общей воды. Лабораторные эксперименты по степени растворения молочного камня проводили весовым методом. Эмульгирующую способность ПАВ определяли по методике Алагёзяна Р.Г., дисперсный состав эмульсий - с применением счетчика Коултера ( Coulter Counter, model T.T_A. Worksheef), контроль концентрации неионных и катионных ПАВ при совместном их присутствии в растворах, а также полноту их удаления с поверхности оборудования определяли методом тонкослойной хроматографии по Кулешовой И.М. и Маневич (Кузиной) Ж.И.(а. с. № 1081529), пенообразующую способность - по методу Росса-Майлса. Результаты этих исследований позволили определить наиболее рациональные ПАВ и их смеси в зависимости от назначения разрабатываемых моющих средств как по функциональным свойствам (непенное, с дезинфицирующим действием или без него), так и по видам оборудования (ёмкости и трубопроводы, теплообменные аппараты или мембранные установки и прочее). Для разработки технических условий (ТУ) созданные рецептуры моющих средств анализировали в соответствии с общепринятыми методами по следующим показателям: рН 1%-ного водного раствора, поверхностное натяжение - на тензиометре типа Дю-Нуи в мН/м при 25^оС; содержание ПАВ анионного и катионного вида методом двухфазного титрования, неионогенных ПАВ - методом экстракции этиловым спиртом. Моющую способность разработанных моющих средств на этой стадии экспериментов определяли по методике с использованием прибора Уитлстоуна. Токсикологические исследования созданных моющих средств проводили в лаборатории НИИ дезинфектологии (г. Москва) и в лаборатории Московского центра дезинфектологии по г. Москве. Средние пробы моющих средств отбирали из опытных партий, изготовленных на "Шебекинском химическом заводе", "Петуховском содовом заводе" и ОАО "Синтез" и ЗАО "Экохиммаш".

На завершающем этапе работы проводили производственные апробации технологических режимов санитарной обработки всех видов оборудования с использованием разработанных моющих средств в условиях ряда предприятий молочной промышленности: Останкинском МК, ЗАО "ЗДМП" (завод по производству детских молочных продуктов), ПЭЗ ВНИМИ, ОАО "Пензенский молочный комбинат", ОАО "Шебекинский маслозавод", "Коммунарка" (Россия), ОАО "Брестский молочный комбинат", ОАО "Эксмолтех", ОАО "Лидский молочный комбинат" (РБ), ОАО "Лапте" (Кишиневсий молочный комбинат, Молдова), Харьковском МК (Украина) и других. При этом проводили контроль концентраций моющих средств, температуры и продолжительности проведения процесса мойки. Полноту удаления остатков моющих растворов с поверхности оборудования определяли индикаторным методом и методом тонкослойной хроматографии. Качество санитарной обработки определяли путем микробиологических смывов с очищаемых поверхностей на определение количества мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ) по стандартным методикам с учетом требований, указанных в инструкциях по микробиологическому контролю производства на предприятиях молочной промышленности (1976, 1987) и СанПиН 2.3.4.551-96. "Производство молока и молочных продуктов".

В практическом плане результаты апробации послужили основанием для создания общеотраслевых инструкций по санитарной обработке оборудования на предприятиях молочной промышленности, в том числе по производству детских молочных продуктов и ряда инструкций по санитарной обработке новых видов оборудования. Статистическая обработка результатов экспериментов осуществлялась с помощью программ "Microsoft Exel" и "CurveExpert".

Методический подход к проведению экспериментов и методы проведения, принимаемые в данной работе, позволили получить достоверные данные, о чем свидетельствуют результаты математической компьютерной обработки. Моделирование процессов растворения молочных загрязнений указывает на адекватность полученных моделей.

Глава 3. "Закономерности процесса растворения белково-жировых отложений под влиянием различных видов и концентраций щелочных электролитов и ПАВ". Результаты экспериментов, представленные на рис. 3., свидетельствуют о недостаточной степени гидролиза 32-40% белково-жировой фракции молочных отложений (БЖО) даже такими сильными электролитами, как гидроксид натрия и метасиликат натрия, перборат натрия и тринатрийфосфат (А). Еще ниже этот показатель установлен для комплексообразующих веществ (Б). Однако при совместном их использовании с гидроксидом натрия степень растворения БЖО резко возрастала (до 64%), что указывало на эффект сов-местного влияния химических компонентов на отложения (кривая 1, рис.3, Б).

Математическая обработка экспериментальных данных позволила получить уравнение, с помощью которого появилась возможность управлять процессом гидролиза белковой части молочного загрязнения путем выбора электролита и его концентрации в зависимости от физико-химического состояния белковой фракции молочного отложения в каждом конкретном случае.

Слабощелочные электролиты, такие, как бикарбонат, карбонат, и фосфаты натрия, обладающие низкой константой диссоциации, способны только к растворению нативного белка. Степень растворения БЖО этими электролитами даже в концентрации (7,0-10,0)% составляла менее 15,0%.

Рис. 3 Зависимость степени растворения белково-жировых отложений от видов щелочных электролитов (А) и комплексообразующих веществ (Б) и их концентраций (Т const = 50оС) Где для А: 1.Гидроксид натрия: а=25,07, b=42,79, с=-26,43, r=0,996; 2. Перборат натрия: а=15,46; b=45,67; с=-37,62; r=0,989; 3. Метасиликат натрия: а=15,48; b=31,57; с=-20,7; r=0,995; 4. Перкарбонат натрия: а=14,07; b=34,88; с=-24,76; r=0,999; 5.Тринатрийфосфат: а=11,7; b=30,24; с=-17,62; r=0,995; 6. Карбонат натрия: а=7,97; b=18,6; с=-12,86; r=0,997; 7. Бикарбонат натрия: а=6,4; b=15,3; с=-10,2; r=0,997; 8. Сульфат натрия: а=4,34; b=6,7; с=-4,5; r=0,994.

Где для Б: 1.Смесь гидроксида натрия и комплексона: а=38,3; b=48,25; с=-13,21; r=0,985; 2. Трилон А: а=14,8; b=32,2; с=-24,05; r=0,998; 3.Пирофосфат натрия: а=10,97; b=32,5; с=-20,5; r=0,998; 4.Триполифосфат натрия: а=7,0; b=33,99; с=-24,4; r=0,999; 5.Трилон Б: а=8,07; b=10,3; с=-4,9; r=0,998.

В результате проведенных исследований по комплексообразующей способности было установлено рациональное количественное содержание их в рецептурах моющих средств: 12,0-15,0% триполифосфата натрия, или 1,5-2,0% Трилона А, или 2,5-3,5% Трилона Б, или 0,8-1,2% пирофосфата натрия.

Однако при использовании некоторых из них в виде смеси 7 (карбоната, силиката и сульфата натрия) в соотношении 1:1:1 степень растворения БЖО установлена на уровне 42-45%. А в комплексе этих трех солей натрия с фосфатом натрия (смесь 8) достигался дополнительный эффект растворения БЖО, что в конечном итоге составляло 52-54% и вновь подтверждало наши выводы о проявлении эффекта совместного действия щелочных солей на белок и жир молочного происхождения (рис.4). При создании моющих композиций эти соли могут быть использованы в качестве наполнителей, выполняя роль сорастворителя белка, буфера или антикоррозианта.

Таким образом, исследования показали, что в порошкообразных средствах целесообразно использовать рациональные сочетания смесей щелочных солей натрия в зависимости от поставленной задачи. Это позволит за счет проявления синергизма повысить эффективность растворения БЖО. Дополнительный импульс растворения их обеспечивается буферностью карбоната натрия и нивелированием влияния солей жесткости воды комплексообразователями, а также повышением щелочности при наличии в растворах метасиликата натрия.

В результате исследований ПАВ, выпускаемых отечественной химической промышленностью, установлено, что эмульгирующая способность их по отношению к исследуемой смеси жиров составляла 68-92% в зависимости от вида ПАВ и их концентраций (рис.5). Наиболее высокая степень эмульгирования выявлена у анионных ПАВ (АПАВ), однако они обладают высокой пенообразующей способностью: для большинства из них 1%-ные растворы имеют соотношения начальной высоты пены к высоте пены через 5 минут (Н0/Н5), равными 15-26/10-17 см.

Рис. 4 Степень растворения белково-жировых отложений в зависимости от концентрации щелочных солей натрия и их соотношений Где: 1-сульфат Na; 2-карбонат Na; 3-триполифосфат Na; 4-тринатрийфосфат; 5-силикат Na; 6-карбонат Na:сульфат Na (1:1); 7-карбонат Na:сульфат Na:силикат Na (1:1:1); 8-карбонат Na:сульфат Na:силикат Na:триполифосфат Na (1:1:1:0,5)

При указанных показателях пенообразующей способности применение моющих средств, содержащих АПАВ, неприемлемо в циркуляционных системах мойки с высокими скоростями моющей жидкости. В этом случае альтернативой могут служить некоторые неионогенные ПАВ (НПАВ), не уступающие АПАВ по эмульгирующей способности, или рациональные соотношения их с АПАВ или четвертично-аммониевыми соединениями (ЧАС). Но по эмульгирующей способности последние уступают НПАВ и АПАВ на 28-32%, что необходимо учитывать при составлении композиций ПАВ. Полученные результаты эксперимента по определению эмульгирующей способности ряда ПАВ подчиняются следующему уравнению: ab+cx^d Y- степень растворения смеси жиров (1:1), %; где а, b; с и d -числовые коэффициенты при b+x^d r=0,992-0,999.

Рис.5 Зависимость степени растворения смеси жиров (1:1) от вида ПАВ и их концентраций Где: 1-Сульфонол (40%); 2-Сульфонат-паста; 3-Лаурилсульфат натрия; 4-Синтанол ДС-10; 5-Неонол; 6-Синтанол ДТ-7; 7-Окись алкилдиметиламина; 8-Синтанол АЛМ; 9-Синтамид-5; 10-Оксифос Б; 11-Катамин АБ

В целом эффективность технологических решений по санитарной обработке оборудования зависит от его индивидуальных особенностей, типа отложений, степени их адгезии с поверхностью. Поэтому с учетом различной избирательной способности и активности химических соединений по отношению к отложениям композиционный подбор моющих средств следует осуществлять экспериментально для каждого конкретного случая, опираясь на выявленные в ходе исследований общие закономерности.

Глава 4. "Усовершенствование технологических режимов мойки ёмкостного оборудования и трубопроводов при различных условиях их эксплуатации на предприятиях молочной промышленности". К ёмкостному оборудованию относятся резервуары, ванны длительной пастеризации, заквасочники, кристаллизаторы, творожные и сыродельные ванны, маслоизготовители, смесители различного назначения, автомолцистерны. Повсеместное применение для мойки оборудования водопроводной воды с повышенной карбонатной жесткостью в интервале 7,0 - 20 мг-экв/л и моющих агентов в виде гидроксида или карбоната натрия является причиной отложения на поверхности оборудования минерализовавшегося загрязнения (молочного камня). Поэтому постоянно возникает необходимость дополнительных циклов проведения мойки кислотными растворами. В связи с этим актуальной задачей явилось создание способов и средств санитарной обработки оборудования, нивелирующих указанный недостаток. Принимая во внимание результаты, представленные в главе 3, в качестве моющей основы для решения поставленной задачи были использованы щелочные соли натрия, в том числе и комплексообразователи. Исследования по подбору ПАВ, обладающих требуемой эмульгирующей и смачивающей способностями, а также пониженным пенообразованием предполагаемого моющего средства позволило выявить наиболее рациональное по этим показателям неионогенное ПАВ, в частности, синтанол ДС-10.

Путем экспериментов с различными соотношениями щелочных солей натрия и вышеуказанным ПАВ в определенном интервале концентраций был создан ряд образцов моющих средств с повышенной комплексообразующей способностью. В соответствии с результатами математической обработки получена модель, представленная на рис. 6.

Вид уравнения регрессии:

ab+cxd Y- степень растворения БЖЗ, %;

b+xd при r = 0,997-0,999.

где а, b; с и d -числовые коэффициенты

Рис. 6 Сравнительная характеристика степени растворения белково-жировых отложений от концентраций различных соотношений электролитов и ПАВ

По результатам исследований физико-химических и эксплуатационных характеристик (степени растворения БЖЗ, эмульгирования смеси жиров, пенообразования и коррозионной способности) созданных рецептур моющих средств была выявлена наиболее рациональная, положенная в основу нового моющего средства "РОМ-АЦ-1". На рис.7 отражен эффект совместного воздействия смеси компонентов на степень растворения белково-жировых отложений. Растворимость их в растворах средства "РОМ-АЦ-1" на 30-50% выше, чем в отдельно взятых щелочных солях натрия (карбонате, силикате, триполифосфате и пр.) Зависимость этого показателя от концентрации растворов всех исследованных щелочных компонентов и средства "РОМ-АЦ-1" составляет 15-17%.

Рис. 7 Сравнительная характеристика степени растворения белково-жировых отложений от концентраций щелочных электролитов и растворов "РОМ-АЦ-1" (контроль-вода)

Специфика мойки таких видов ёмкостного оборудования, как ванны ВДП, заквасочники, резервуары для производства ряженки, ёмкости и трубопроводы заключается в удалении с их поверхностей отложений денатурированного белка, образующегося при соприкосновении с горячим молоком или молокосодержащим продуктом. Поэтому для их мойки традиционно используют растворы гидроксида натрия. Однако из-за слабой моющей способности этого компонента и повышенной жесткости используемой воды на поверхностях оборудования так же, как и в предыдущем случае, происходит постепенное образование молочного камня, но с более высокой степенью адгезии, что ухудшает микробиологические показатели и качества мойки, и качества продукта. По результатам предварительных исследований установлено, что для предотвращения его образования необходимо применение растворов моющих средств с рН не менее 12,0-12,9 ед., имеющих высокую степень диссоциации и активные добавки в виде комплексонов и ПАВ. Путем экспериментов был создан ряд образцов порошкообразного средства, в качестве щелочной основы которых были использованы гидроксид натрия и его соли. Рациональным выбором ПАВ явился блоксополимерный ПАВ с низкой пенообразующей способностью, устойчивостью к солям жесткости воды и температурам мойки свыше 60^оС. Требуемое качество мойки достигалось при концентрации МС "РОМ-АЦ-1" 0,8-1,0% и продолжительности мойки 15-20 минут при температуре растворов 45-60^оС.

По результатам определения степени растворения БЖО определена наиболее рациональная рецептура, положенная в основу нового моющего средства "Стекломой", определены его физико-химические и эксплуатационные характеристики для разработки ТУ на производство. На рис 8 представлены результаты эксперимента по определению степени растворения БЖО растворами разработанного средства "Стекломой" и составляющими его компонентами.

Рис. 8 Сравнительная характеристика степени растворения БЖО от концентраций щелочных электролитов и растворов средства "Стекломой"

В результате производственной апробации были отработаны технологические режимы мойки ёмкостного оборудования: концентрация растворов- 0,5-1,2%, температура их - 45-60^оС и продолжительность мойки - 15-20 минут. На рис. 9 в виде циклограммы показано преимущество технологических режимов мойки оборудования с применением новых разработанных рецептур моющих средств "РОМ-АЦ-1" и "Стекломой" и традиционно используемых карбоната и гидроксида натрия. Таким образом, на базе проведенных исследований выявлены предпосылки для разработки рациональной технологии мойки ёмкостного оборудования и трубопроводов в зависимости от их назначения и условий эксплуатации с помощью моющих средств "РОМ-АЦ-1" и "Стекломой", на которые получены авторское свидетельство и патент. Применение средства "РОМ-АЦ-1" предупреждает образование на поверхности оборудования минерализовавшегося осадка из солей жесткости воды. А использование средства "Стекломой" позволяет в одну стадию удалить с поверхностей оборудования отложения частично денатурированных фракций молочного белка.

Рис. 9 Циклограммы двух способов санитарной обработки ёмкостного оборудования и трубопроводов: А-общепринятого; Б - предлагаемого 1-промывка водой; 2- щелочная мойка растворами карбоната или гидроксида натрия; 3- кислотная мойка; 4- дезинфекция; 5- щелочная мойка растворами моющих средств "РОМ-АЦ-1" или "Стекломой"

Глава 5. "Научное обоснование и разработка технологии одновременной мойки и дезинфекции ёмкостного и специализированного оборудования путем создания рецептур моющих средств с дезинфицирующим действием". Для мойки оборудования, загрязненных молочными и растительными жировыми фракциями, необходимы моющие средства, содержащие в своём составе кроме щелочных агентов, бактерициды и вещества, обеспечивающие поверхностям антистатические свойства. Исследованиями степени устойчивости микроорганизмов E. Coli и Staphylococcus aureus установлено, что этим требованиям в полной мере отвечают бактерициды из класса четвертичных аммониевых солей (ЧАС). При этом ЧАС - катамин АБ (алкилбензилдиаммоний хлорид) обладает бактерицидностью по отношению к кишечной палочке и золотистому стафилококку в концентрации 0,005% при температуре не менее 20^оС и экспозиции более 10 минут. В присутствии неионогенных ПАВ бактерицидность катамина АБ усиливается и проявляется по отношению к тем же микроорганизмам в концентрации 0,001 % при температуре 60^оС и экспозиции 3 минуты. Для применения в циркуляционных системах мойки предпочтение отдано низкопенным НПАВ из классов блоксополимеров и оксифосов. Однако по степени гидролиза смеси молочного и растительного жиров (1:1) они значительно уступали НПАВ из класса неонолов и синтанолов (на 10-17%). Путем экспериментов было выявлено соотношение катамина АБ и неионогенного ПАВ - неонола (2,5:1 соответственно), которое позволило добиться одновременно и требуемой степени гидролиза жира, и низкого пенообразования без ущерба биоцидной активности этой смеси ПАВ. Эмульгирующая способность её в зависимости от концентрации составляла 78-85%. На базе полученных данных была создана рациональная рецептура, положенная в основу нового вида моюще-дезинфицирующего средства "МД-1". Щелочной основой его является комплекс натриевых солей в рациональном соотношении, а дезинфицирующую роль выполняет указанное выше соотношение двух ПАВ. В таблице 1 представлены результаты исследований средства "МД-1" по отношению к 7-ми штаммам патогенной микрофлоры. Из всех исследуемых культур микроорганизмов наиболее устойчивой по отношению к препарату "МД-1" оказалась Pseidomonas aeruginosa.

Таблица 1 Бактерицидные концентрации препарата "МД-1" в отсутствии и присутствии белка (при 20^оС)

Для эффективного удаления жировых отложений с поверхностей оборудования целесообразно поддержание температуры рабочих моющих растворов свыше 40^оС, поэтому нами были проведены эксперименты по определению степени инактивации патогенных микроорганизмов в зависимости от температуры, что представлено в таблице 2.

Таблица 2 Концентрации средства "МД-1", вызывающие полную гибель микроорганизмов в зависимости от температуры растворов при экспозиции 5мин

Судя по полученным данным бактерицидные свойства средства возрастали пропорционально увеличению температуры. Учитывая, что циркуляционная мойка емкостного оборудования и трубопроводов осуществляется, преимущественно, при температурах 40-65^оС, минимально необходимая концентрация растворов "МД-1", вызывающая гарантированную гибель патогенной микрофлоры, должна быть в пределах 0,5-0,6%.

На рис. 10 представлены результаты микробиологической оценки качества санитарной обработки различных видов оборудования в процессе производственной апробации в условиях молочного предприятия. Кривые означают снижение КМАФАнМ в зависимости от концентрации средства "МД-1". Рекомендуемый концентрационный режим технологии санитарной обработки различен для разных видов оборудования и определяется пересечением кривых с осью ординат на уровне, соответствующему КМАФАнМ не более 100 колоний в 1 мл смыва согласно требованиям СанПиН. Всё, что выше, не приемлемо.

Немаловажной задачей в сфере санитарии молочного производства является усовершенствование технологии санитарной обработки автомолцистерн, резервуаров хранения сырого молока и линий трубопроводов. Решение задачи возможно путем создания моющей композиции, обеспечивающей моющую и дезинфицирующую способности при пониженных температурах. С теоретической точки зрения в порошкообразных моющих средствах роль дезинфектанта, обладающего бактерицидным действием при низких температурах, могут выполнять только хлорсодержащие агенты.

Рис. 10 Оценка санитарно-гигиенического состояния различных видов оборудования в зависимости от концентраций средства "МД-1" при температуре 40-65оС и продолжительности воздействия 10-15 минут Где: 1. Резервуары, молокопроводы, автомолцистерны: 0,5 -0,8%; 2. Заквасочники, оборудование для производства творога: 0,7 -1,1%; 3. Сепараторы, молокоочистители, оборудование для производства масла, сушильное оборудование, охладительные ванны: 1,2-1,6%; 4. Солильные бассейны, сыродельные ванны, сырные формы, разливо-укупорочные автоматы: 1,9-2,1%; 5. Тара различного назначения: 1,9-2,5%; 6. Допустимый показатель КМАФАнМ

Путем экспериментов по определению биоцидной активности хлорсодержащих компонентов в отношении двух штаммов микроорганизмов: E. Coli и Staphilococus aureus при различных экспозициях и концентрациях дезинфектантов (табл. 3) было выявлено, что в порошкообразных многокомпонентных щелочных смесях при условии длительного хранения в качестве хлорного агента могут выступать только хлорированные изоцианураты.

Следующим важным условием в данном эксперименте был подбор ПАВ, совместимый с ними. В результате исследований было определено анионное вещество, обеспечивающее моющее действие композиции и одновременно стабилизацию в нём активного хлора. В качестве щелочной основы принят ранее определенный в главе 3 комплекс натриевых солей в рациональном соотношении, что позволило создать рецептуру, положенную в основу нового моюще-дезинфицирующего средства "ДП-4". В результате предварительной производственной апробации были определены бактерицидные концентрации средства "ДП-4", при которых достигался требуемый эффект одновременной и мойки, и дезинфекции оборудования.

Таблица 3 Бактерицидные концентрации препарата "ДП-4" в отсутствии и присутствии молочного белка (при 35^оС)

Результаты производственной апробации представлены на рис. 11.

Рис. 11 Оценка санитарно-гигиенического состояния различного оборудования в зависимости от концентраций средства "ДП-4" (t=1525^оС)

Для каждой категории оборудования рациональными концентрациями являются те, которые находятся в интервале между осью абцисс и осью ординат до пересечения с пунктирной линией, соответствующей допустимому значению КМАФАнМ (100 КОЕ в 1 мл смыва). Данные проведенных исследований и их анализ позволяют рекомендовать для применения в производственных условиях дезинфицирующее средство с моющим действием "ДП-4" при концентрации рабочих растворов не ниже 0,5% (по препарату) или не менее 300 мг.акт.хлора/л, экспозиции не менее 15 минут и температуре в интервале 15-25^оС. Преимущество предлагаемой технологии одновременной мойки и дезинфекции оборудования с применением препаратов "МД-1" и "ДП-4" по сравнению с другими технологиями санитарной обработки для аналогичных целей представлено в виде циклограммы на рис. 12. Продолжительность, расход электроэнергии и воды при предлагаемом процессе санитарной обработки (В) на 17 и 51% ниже, чем при ранее разработанном (Б) и общепринятом (А) соответственно.

Рис. 12 Циклограммы трёх способов санитарной обработки ёмкостного оборудования и трубопроводов: А-общепринятого; Б и В - предлагаемых. 1- промывка водой; 2- щелочная мойка растворами карбоната или гидроксида натрия; 3- кислотная мойка; 4- дезинфекция; 5- щелочная мойка растворами моющих средств "РОМ-АЦ-1" или "Стекломой"; 6- щелочная обработка растворами дезинфицирующих средств с моющим действием "МД-1" или "ДП-4"

В целом, проведенные в данном направлении исследования позволили обосновать новые подходы к основам мойки ёмкостного оборудования и разработать на базе полученных данных более совершенные виды моющих средств, широко используемых в промышленности.

В главе 6 "Научное обоснование и усовершенствование технологических режимов мойки теплообменного оборудования (пастеризаторов, стерилизаторов и вакуум-аппаратов)". При тепловой обработке молока - пастеризации, стерилизации, сгущении - в нем происходит частичная денатурация белков, изменение их коллоидного состояния, приводящее к образованию на поверхности теплообменных аппаратов трудноудаляемых отложений (молочного пригара и молочного камня), составы которых представлены в таблице 4.

Таблица 4 Химический состав отложений, образующихся на поверхностях теплообменных аппаратов в процессе тепловой обработки молока

В молочном камне в среднем в 10 раз больше минеральных солей и в 5 раз меньше воды, чем во влажном молочном пригаре. В пригаре же примерно вдвое выше содержание белка и жира. На основании этих данных подход к их удалению должен быть сугубо индивидуален. В результате наличия пригаров на внутренней поверхности аппаратов нарушается температурный режим тепловой обработки, что приводит к получению некондиционного продукта, росту продолжительности циклов мойки и расходу средств на их осуществление. Фактическая продолжительность мойки теплообменного оборудования при использовании традиционных химических средств составляет от 4 до 6 часов.

Результаты экспериментов показали, что повышения качества мойки и снижения её продолжительности можно достигнуть применением гидроксида натрия в комплексе с активными добавками в виде ПАВ, смесей солей и комплексообразователя. В результате исследований эмульгирующей и пенообразующей способностей ПАВ выявлена наиболее рациональная смесь неионного и анионного ПАВ в соотношении 1:4, которое обеспечивало требуемую степень эмульгирования жиров, незначительное пенообразование и возможность проведения мойки при высоких температурах. Путем введения этой смеси ПАВ в растворы щелочных электролитов различной концентрации достигается повышение растворимости отложений до 67%, что отражено на рис.13 кривой 1. В сочетании щелочного электролита с ПАВ и комплексообразователем степень растворения возрастает до 72%, о чем свидетельствуют результаты, представленные кривой 2. Добавление в моющий раствор пербората натрия интенсифицирует перевод белка в растворимое состояние вследствие деструктивного окисления молекул белка атомарным кислородом, выделяющимся при распаде пербората натрия, что позволяет достигнуть растворения молочного пригара на 97-98%, что представлено кривой 3. В результате экспериментов созданы рецептуры высокощелочных порошкообразных моющих средств, производственная апробация которых позволила выявить наиболее рациональную из них, положенную в основу нового щелочного моющего средства "РМП-П-Д" и разработать технологический режим щелочной мойки теплообменных аппаратов с его использованием: концентрация растворов 0,8-2,5%, продолжительность мойки 30-60 минут и температура растворов 75-80^оС в зависимости от вида теплообменного аппарата. На базе средства "РМП-П-Д" создана рецептура активной порошкообразной добавки, положенной в основу новой моющей композиции "РАМП". Она предназначена для введения в рабочие растворы гидроксида натрия для предприятий, не желающих отказываться от его применения, или для проведения профилактических моек при нарушениях технологического процесса высокотемпературной обработки молока, или при образовании пригара в связи с повышенной кислотностью молока, или при других неблагоприятных факторах. Для мойки пастеризаторов рекомендуются 0,8-1,0%-ные растворы гидроксида натрия в смеси с содержанием средства "РАМП" в концентрации 0,15-0,20%. Для мойки стерилизаторов, вакуум-аппаратов и сушильного оборудования содержание гидроксида в растворе необходимо повысить до 1,2-1,4%, а средства "РАМП" до концентрации 0,2-0,3%. Поддержание температуры моющего раствора в пределах 75-80^оС обеспечивает полноту удаления молочного пригара в течение 30-60 минут в зависимости от вида теплообменного оборудования.