Microwave unit for continuous heat treatment of poultry muscle stomachs

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

По данным Росстата, в 2023 году в России производство мяса птицы составило 4,3 млн. т. В 2024 году планируют дополнительно получить 0,11 млн. т за счёт расширения производства и модернизации технологий [1].

Из них объём мышечного желудка с учётом его массы у курицы (25–100 г), индейки (75–150 г), утки (30–145 г), гуся (80–150 г) в среднем составляет 0,1–0,15 млн. т [2].

В масштабах России такой объём сырья перерабатывают мощными машинами. Технология переработки мышечных желудков включает четыре операции: 1) вскрывают; 2) очищают от содержимого; 3) выворачивают и снимают кутикулы; 4) обезжиривают. Для выполнения первых двух операций (для разрезания и мойки желудков) применяется машина В2-Ф001/3 [3, стр. 247]. Рабочим органом машины служит электроприводная кассета с радиально расположенными пластинами и две щетки. Желудки, вручную помещённые в ячейки кассеты, подаются к ножу, разрезаются и орошают водой. Чистые желудки удаляются из кассеты. Содержимое желудков и вода по поддону отводится в очистные сооружения. Производительность машины 2000 желудков в 1 ч при цикличности перемещения кассеты 0,56 с^-1. Мощность электродвигателя 0,55 кВт. Недостатки: ручная загрузка кассет, большой расход воды (1,4 м³) и большой вес машины (155 кг).

Далее для удаления кутикулы используют вальцовую машину К2-ФЦЛ-6/12 [3, стр. 248], содержащую стальные валики с винтовым рифлением. Производительность до 1000 желудков в 1 ч при мощности привода 0,41 кВт. Недостаток. Желудки вручную прижимают к валикам, которые захватывают кутикулу и удаляет её.

Для обезжиривания желудков существует машина «Сторк» (Голландия). Жир удаляется резиновыми пальцами, закреплёнными на вращающемся валу. В зону обработки подаётся вода, которая смывает отделенный жир и выводит его из машины через сливной патрубок. Производительность машины — до 6000 желудков в 1 ч, мощность привода при обработке желудков бройлеров — 0,25 кВт, а при обработке желудков индеек — 0,37 кВт. Расход воды — до 0,4 м³/ч. В итоге, для переработки 1000 шт. мышечного желудка тратится 1,21–1,25 кВт∙ч электроэнергии, 1,8–2 м³ воды, а самое главное смывается жир [3].

Возникает проблема — высокие эксплуатационные расходы, связанные с использованием ручного труда при переработке сырья в условиях фермерских хозяйств. Поэтому переработка мышечных желудков в мясное сырьё, является актуальной задачей.

С учетом высокой пищевой ценности мышечного желудка (на 100 г: калорийность 130 ккал (8,56%); белки 21 г (23,08%); жиры 6,4 г (9,55%); углеводы 0,6 г (0,43%); вода 70, 9 г (2,63%), витамины и минералы) [4] предлагается в условиях фермерских хозяйств использовать другую технологию переработки мышечных желудков, без проведения вышеуказанных операций, когда сразу отделенные после убоя птиц мышечные желудки (преимущественнее ветеринарные конфискаты) отправляются на термообработку электромагнитным полем сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) вместе с содержимым для получения биологического корма животным.

В научной школе Новиковой Г.В. разработаны десятки СВЧ установок для термообработки субпродуктов животных и птиц [5–8]. Аналогом разработанной установки для термообработки птичьего мышечного желудка является СВЧ установка с коническим резонатором, позволяющая совмещать процессы обезвоживания тонко измельчённых мясных отходов (непищевая обрезь, субпродукты, кровь) и термообработки твёрдой фазы [9]. Она содержит конический экранирующий корпус с ситовым резонатором в виде усечённого конуса без оснований и с диэлектрическим ротором в виде усечённого конуса, покрытый мелкозернистым абразивным материалом. Но данная установка не позволяет сохранить жидкую фракцию в сырье, и экранирующий корпус удорожает установку.

Целью настоящей работы является разработка радиогерметичной установки с коническим резонатором для термообработки мышечных желудков птиц в непрерывном режиме при высокой напряженности электрического поля в условиях фермерских хозяйств.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Инновационная идея заключается в том, что мышечный желудок как многокомпонентное сырьё, предварительно в измельченном виде на электроприводном терочном диске, растирается об абразивные витки электроприводного шнека в процессе диэлектрического нагрева в непрерывном режиме в коническом резонаторе, обеспечивающем высокую напряженность электрического поля и электромагнитную безопасность за счет усечения конуса на уровне критической поверхности.

Исследуемым сырьем является мышечный желудок кур, имеющий дискообразную форму (рис. 1). Внутренняя поверхность мышечного желудка покрыта роговидной оболочкой — кутикулой. Растиранию корма способствуют находящиеся в желудке гравии, стекла и т.п. Исследование динамики диэлектрического нагрева сырья проводили в лабораторных условиях при мощности СВЧ генератора 700, варьируя удельной мощностью путем изменения массы загрузки измельченного сырья в резонатор. В процессе нагрева сырья от начальной температуры 0 °С до 130 °С с помощью инфракрасного термометра Testo 845 фиксировали среднее значение температуры. Электродинамические параметры (собственную добротность конического резонатора, распределение электрического поля и величину его напряженности) определяли по теоретическим формулам и с помощью программы CST Microwave Studio 2018. Трехмерное моделирование усечённого конического резонатора выполнено Компас 3D V20.

 

Рис. 1. Мышечный желудок куриный: a — мышечный желудок после потрошения; b, с — мышечный желудок, разрезанный с содержимым; d — мышечный желудок с кутикулами; e — очищенный от содержимого с кутикулой; f — очищенный от кутикул и жира.

Fig. 1. A chicken muscular stomach: a — the muscular stomach after evisceration; b, с — the muscular stomach cut with contents; d — the muscular stomach with cuticles; e — the cleared of contents with cuticle; f — the cleared of cuticle and fat.

Источник: фотографии сделаны авторами в ходе исследования.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Микроволновая установка для термообработки мышечных желудков птиц (рис. 2) содержит конический резонатор 1. На его основании 2 расположена неферромагнитная загрузочная ёмкость 3 с задвижкой 4. Под основанием 2 резонатора, с зазором не более, чем четверть длины волны, установлен электроприводной неферромагнитный тёрочный диск 6. Соосно, внутри резонатора установлен фторопластовый электроприводной шнек (9, 10). Винты 10 шнека покрыты мелкозернистым абразивным материалом 11.

 

Рис. 2. Микроволновая установка с коническим резонатором для термообработки мышечных желудков птиц: а — общий вид; b —общий вид в разрезе с позициями; c — конический резонатор; d — тёрочный диск; e — винтовой шнек, f — загрузочный патрубок; 1 — конический резонатор; 2 — основание конического резонатора; 3 — загрузочная ёмкость с неферромагнитной задвижкой 4; 5 — электропривод тёрочного диска 6; 7, 12 — монтажные профили; 8 — магнетроны; 9 — фторопластовый вал; 10 — фторопластовые винты; 11 — мелкозернистый абразивный материал; 13 — неферромагнитная приёмная ёмкость; 14 — усечённая часть; 15 — электропривод.

Fig. 2. The microwave unit with a conical resonator for heat treatment of poultry muscle stomachs: а — general view; b — general view in section with positions; c — the conical resonator; d — a grating disc; e — a screw auger, f — loading port; 1 — the conical resonator; 2 — the base of conical resonator; 3 — a loading container with a non−ferromagnetic valve gate 4; 5 — electric drive of the grating disc 6; 7, 12 — mounting profiles; 8 — magnetrons; 9 — a fluoroplastic shaft; 10 — fluoroplastic screws; 11 — a fine−grained abrasive material; 13 — a non−ferromagnetic receiving tank; 14 — a truncated part; 15 — electric drive.

Источник: разработано авторами.

 

При этом диаметр фторопластовых винтов 10 изменяется в соответствии с изменением диаметра образующей конического резонатора. Радиус конического резонатора изменяется по линейному закону. С наружной стороны образующей конического резонатора 1 установлены магнетроны 8 со сдвигом на 120 градусов. Они установлены ниже электроприводного тёрочного диска 6 над соответствующими волноводами и охлаждаются вентиляторами. Коническая часть 14 резонатора усечена на уровне критического сечения, под которое установлена неферромагнитная приёмная емкость 13. Соответствующим выбором угла при вершине конического резонатора можно сформировать электромагнитное поле сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ), сконцентрированное около основания 2 резонатора 1, что способствует повышению собственной добротности резонатора. Так как радиус основания резонатора существенно больше, чем радиус сечения в периферийной области, поэтому и омические потери меньше [10]. При этом критическое сечение располагается на значительном расстоянии от вершины конуса, что позволяет создавать отверстие для выгрузки термообработанного продукта, не нарушая структуру поля в коническом резонаторе. Около основания 2 резонатора существуют волны, постоянные распространения которых уменьшаются в случае удаления от основания 2. Вблизи того сечения, для которого выполняется критическое условие, образуется поверхность, от которой наблюдается полное отражение волн, т.е. излучение из открытого конца (усеченной части 14 конического резонатора) значительно уменьшается. Излучатели от магнетронов 8 должны располагаться в области максимального диаметра конического резонатора (около основания 2 резонатора).

Мышечный желудок отличается по влажности и жирности от других видов куриных субпродуктов. По данным И.А. Рогова глубина проникновения электромагнитного поля при длине волны 12,24 см из-за низкого содержания воды и достаточной жирности в мышечном желудке, может составить 4–6 см, а с увеличением температуры до 100 °С уменьшается в два раза. Поэтому при разработке фторопластового шнека в установке шаг вина согласован с глубиной проникновения волны.

Технологический процесс термообработки мышечных желудков птиц в установке происходит следующим образом. Загрузить мышечные желудки, накопленные после убоя птиц в загрузочную ёмкость 3 при закрытой задвижке 4. Включить электропривод 15, после чего приводится в движение шнек (9, 10, 11). Включить электроприводной тёрочный диск 6. Так как он выполнен из неферромагнитного материала, поэтому при открытой задвижке 4, излучение через загрузочную емкость ограничено. Открыть задвижку, и как только мышечные желудки попадают на электроприводной тёрочный диск, и измельченное сырье за счёт центробежной силы падает на фторопластовые винты 10, включить магнетроны 8 с вентиляторами. Излучатели, направленные в конический резонатор через соответствующие волноводы, возбуждают ЭМПСВЧ (2450 МГц, длина волны 12,24 см).

Мышечный желудок — это многокомпонентное сырье (мышечная ткань, жир, кутикула, содержимое желудка в виде непереваренного корма). Все это измельчается на неферромагнитном терочном диске 6 и в процессе передвижения с помощью электроприводного шнека (9, 10) на фторопластовых винтах 9 истирается при соприкосновении с мелкозернистым абразивным материалом 11. Тонко измельченное сырье — в ЭМПСВЧ за счёт токов поляризации равномерно подвергается термообработке, а за счёт высокой напряжённости электрического поля обеззараживается. Сваренный и обеззараженный продукт выгружается в приемную ёмкость 13.

Диаметр (d) усечённой части 14 конического резонатора должен быть менее 0,72∙R_осн , (d<0,R_осн ), где R_осн — радиус основания конического резонатора [10, стр. 127]. Если диаметр (d) усечённой части конического резонатора равен радиусу основания (R_осн ), то собственная добротность резонатора резко снижается и теряет смысл применения.

Пример выполнения усечённого конического резонатора. Если R_осн = 24,48 см, длина конического резонатора (конуса) L = 61,2 см, то диаметр усечённой части (открытого торца) резонатора должен быть менее 0,72∙24,48 = 17,63 см. Принимаем диаметр открытого торца равной длине волны 12,24 см. При таком размере можно осуществить непрерывный режим передвижения сырья через конический резонатор 1. Угол при вершине конуса составит 27°, (30,6/61,2 = 0,5; tg 27 = 0,5).

Результаты исследования электродинамических параметров конического резонатора (рис. 3), полученные по программе CST Microwave Studio 2018 [11] показывают, что напряженность электрического поля у основания (под тёрочным диском 6) достигает, при размерах [12] конического резонатора, в 5 раз превышающих длину волны 4–5 кВ/см.

 

Рис. 3. Электродинамические параметры системы с коническим резонатором (5∙λ) (мода 1): 1 — распределение ЭМП по координатам х, у, z; 2, 3 — напряжённость электрического поля, В/м; 4, 5, 6 — напряжённость магнитного поля, А/м; 7, 8 — Е-энергия, Дж/м³; 9 — Н-энергия, Дж/м³. Высота и диаметр конического резонатора равны 5∙λ , где λ — длина волны.

Fig. 3. Electrodynamic parameters of the system with the conical resonator (5×λ) (mode 1): 1 — EMF distribution along the coordinates x, y, z; 2, 3 — electric field strength, V/m; 4, 5, 6 — magnetic field strength, A/m; 7, 8 — Е-energy, J/m³; 9 — Н-energy, J/m³. The height and diameter of the conical resonator are 5×λ, where λ is the wavelength.

Источник: составлено в ходе исследований

 

Около критического сечения (усечённой части 14), напряженность электрического поля менее 0,6 кВ/см. Критическое сечение образуется на значительном расстоянии от вершины конуса. Такой спад напряжённости электрического поля способствует снижению градиента температуры сырья в процессе воздействия ЭМПСВЧ, следовательно, исключается перегрев, сохраняется кормовая ценность продукта. Конический резонатор по сравнению с цилиндрическим резонатором исключает вырождение паразитных типов колебаний, что позволяет достичь высоких значений собственной добротности [13]. Собственная добротность, вычисленная через объем, площадь поверхности резонатора с учётом скин-эффекта [12] равна 77200.

Напряжённость электрического поля (Е, В/м) в резонаторе определяли по формуле Ю.В. Корчагина:

${Е}_{.}=\frac{Q\cdot P}{\mathrm{0,27}\cdot {10}^5\cdot {\epsilon }_{\text{о}}\cdot 2\cdot \pi \cdot f\cdot V}=\frac{77200\cdot 2400}{\mathrm{0,27}\cdot \mathrm{8,85}\cdot {10}^{-12}\cdot \mathrm{6,28}\cdot 2450\cdot {10}^6\cdot \mathrm{0,112}\cdot {10}^5}=\mathrm{4,5}\frac{кВ}{см}$ (1)

где Р — мощность генератора, Вт; ε_о — диэлектрическая проницаемость вакуума (8,854∙10-12 Ф/м); f — частота ЭМП, Гц; V — объём резонатора, м³.

Результаты исследования напряженности электрического поля, полученные с помощью программы и рассчитанные по формуле (1), совпадают с достаточной доверительной вероятностью (0,95).

Результаты исследования динамики диэлектрического нагрева куриного мышечного желудка при удельных мощностях 3,3–7 Вт/г (рис. 4) и напряжённости электрического поля в резонаторе 0,6 кВ/см показывают, что они сварятся за 3–4 мин.

 

Рис. 4. Динамика нагрева измельченных куриных мышечных желудков в ЭМПСВЧ при разных удельных мощностях.

Fig. 4. Dynamics of heating of shredded chicken muscle stomachs in the ultra-high frequency electromagnetic field at various specific capacities: 3.3W/g; 7 W/g.

Источник: получено авторами на основании экспериментальных исследований

 

При реализации трёх магнетронов в коническом резонаторе напряжённость электрического поля составит в пределах 4–5 кВ/см, следовательно, продолжительность термообработки снизится. Удельные энергетические затраты на термообработку куриного мышечного желудка в непрерывном режиме в установке с коническим резонатором потребляемой мощностью 4,15 кВт, производительностью 30–35 кг/ч составляют 0,15–0,17 кВт∙ч/кг. При этом мощности генератора — 3,3 кВт, вентиляторов — 0,1 кВт, привода винтового шнека — 0,25 кВт, привода тёрочного диска — 0,4 кВт.

Исследования органолептических параметров (цвет, вкус, запах) в специализированной лаборатории показывают, что варёный продукт соответствует нормативным показателям.

ВЫВОДЫ

Новое конструктивное решение с усечённым коническим резонатором и использованием неферромагнитного тёрочного диска, фторопластового электроприводного шнека с шагом винта не более две глубины проникновения волны в сырьё, позволило создать конструкцию рабочей камеры для термообработки птичьих мышечных желудков, производительностью 30–35 кг/ч и удельными энергетическими затратами 0,15–0,17 кВт∙ч/кг.

Инновационная идея заключается в том, что мышечный желудок как многокомпонентное сырьё, предварительно измельченном виде на электроприводном тёрочном диске, растирается об абразивные витки электроприводного шнека в процессе диэлектрического нагрева в непрерывном режиме в коническом резонаторе, обеспечивающем высокую напряжённость электрического поля и электромагнитную безопасность за счет усечения конуса на уровне критической поверхности.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Д.В. Поручиков — анализ научной литературы по проблеме исследования, построение пространственного изображения установки, исследования электродинамических параметров, вычисление собственной добротности резонатора; М.В. Просвирякова — работа над реализацией идеи совмещения процессов тонкого измельчения и равномерного диэлектрического нагрева сырья в коническом резонаторе в непрерывном режиме, описание принципа действия установки; А.А. Тихонов — формирование основных направлений исследований, структуры статьи, доработка текста и выводов; М.Е. Фёдоров — исследования динамики нагрева сырья. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. D.V. Poruchikov — analysis of scientific literature on the study problem, building the spatial image of the unit, study of electrodynamic parameters, calculation of the intrinsic Q-factor of the resonator; M.V. Prosviryakova — work on the implementation of the idea of combining the processes of fine grinding and uniform dielectric heating of raw materials in the conical resonator in the continuous mode, description of the principle of operation of the unit; A.A. Tikhonov — formation of the main directions of the study, the structure of the manuscript, revision of the text and conclusions; M.E. Fedorov — studies of the dynamics of heating of raw materials. All the authors made a significant contribution to the research and preparation of the article, read and approved the version.

Competing interests. The authors declare the absence of obvious and potential conflicts of interest related to the publication of this article.

Funding source. The authors state that there is no external funding for the study.

About the authors

Dmitry V. Poruchikov

Federal scientific agroenginiring center VIM

Author for correspondence.
Email: dv.poruchikov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4210-3468
SPIN-code: 6969-8846

Reseach Scientist of the Laboratory of Intelligent Robotic Tools and Climate Control Equipment for Closed Ecosystems

Russian Federation, Moscow

Mariana V. Prosviryakova

Russian State Agrarian University – K.A. Timiryazev Agricultural Academy

Email: prosviryakova.maryana@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3258-260X
SPIN-code: 5642-4560

Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Professor of the Automation and Robotization of Technological Processes Department named after Academician I.F. Borodin

Russian Federation, Moscow

Alexander A. Tikhonov

Nizhny Novgorod State Agrarian and Technological University

Email: tichonov57@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3687-977X
SPIN-code: 7146-3523

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Metal Technology and Machine Repair Department

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Maxim E. Fedorov

Nizhny Novgorod State Agrarian and Technological University

Email: maxim-fedorovnn@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0005-7471-2718
SPIN-code: 9404-8228

Postgraduate of the Metal Technology and Machine Repair Department

Russian Federation, Nizhny Novgorod

References

Supplementary files