16.05.2020

Микроволновая установка для термообработки непищевых яиц

Известно, что средний процент вывода цыплят в современных условиях достигает 84-85%. Анализ результатов исследований ученых из России и Казахстана показал, что процент выбраковки инкубационных яиц составляет 6-10%.

Этот показатель довольно высок, учитывая то, что каждое отбракованное яйцо теряет 80% своей стоимости при продаже его как столового яйца. Не менее высок и процент отходов инкубационных яиц: в фермерских хозяйствах такие отходы могут достигать 3%.

Причины выбраковки

Высокий процент ранней эмбриональной смертности обычно связан с неправильным хранением инкубационных яиц. На протяжении всего периода инкубации овоскопирование проводится несколько раз. Проведение биологического контроля инкубационных яиц до закладки в инкубационные шкафы и после овоскопирования инкубируемых яиц через 3 и 7 суток дает возможность выявить отбракованные яйца, пригодные для использования в качестве белкового корма после обеззараживания и варки. Инкубационные яйца отбраковывают в случае: нарушения развития зародыша и отслоения подскорлупной оболочки; появления кровеносных колец и замерших плодов; когда желток разорвался и смешался с белком; мраморной структуры скорлупы (изобилия кальция в скорлупе); повреждения скорлупы (светлые полосы); большой воздушной камеры или если камера расположена сбоку; наличия сгустков крови; свободного перемещения желтка и т.п. Такое сырье после овоскопирования инкубационных яиц может достигать 3%.

Галина Новикова, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино, Россия, считает, что использование отбракованных в процессе овоскопирования инкубационных яиц как белкового корма после термообработки и обеззараживания очень целесообразно. Перечисленные отходы инкубации для использования в качестве кормовой добавки учеными «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» и ТОО «Казахский НИИ животноводства и кормопроизводства» предлагается варить и обеззараживать в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) при высокой напряженности электрического поля. Для этого был проведен расчет количества яиц, требующих переработки для использования в качестве белкового корма на фермерских хозяйствах. Расчеты показали, что если в цехе инкубации яиц имеется 12 инкубационных шкафов и 4 выводных, в каждом из которых 104 лотка, и среднее количество яиц в каждом лотке – 120 шт., то пропускная способность одного инкубационного шкафа за 19 дней составляет 12480 шт. яиц, а пропускная способность 12-ти инкубационных шкафов – 149760 шт. яиц. Согласно тому, что 3% яиц, заложенных в шкаф, относятся к категории «отбракованные», следовательно, 4493 яйца из 12 шкафов можно переработать в целях производства белкового корма. Это значит, что в течение дня в среднем необходимо переработать 1123 шт. Проектируемая СВЧ-установка производительностью 200 шт./ч. может перерабатывать данное количество сырья за 5,6 часа, при этом в месяц установка будет работать 22,5 часа.

Микроволновые технологии

Специфические свойства электромагнитных излучений способствуют появлению новой сферы применения микроволновой технологии, а именно созданию неосуществимого ранее технологического процесса варки яиц без воды. Уже известен способ варки пищевых яиц без воды, и для этого существуют специальные микроволновые установки. Например, микроволновая яйцеварка (патент № 2361496) содержит внутри цилиндрического экранирующего корпуса вращающийся фторопластовый ротор с ячейками для транспортирования яиц через камеры микроволновых печей.

Согласно научным данным Ю.В. Гуськова, кандидата технических наук (Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования, «Чувашская ГСХА»), потребляемая мощность СВЧ (сверхвысокочастотной) установки с четырьмя источниками и транспортирующим механизмом составляет 5 кВт; скорость передвижения яиц – 1,8 см/с, производительность – 150-165 шт./ч, удельные энергетические затраты – 0,5 кВт∙ч/кг. Гуськовым было доказано, что при скважности технологического процесса близкой 0,5 кВт∙ч/кг продолжительность варки наименьшая; при достижении температуры в желтке около 70оС скорлупа разрывается. При таком конструкционном исполнении рабочей камеры в виде четырехгранной призмы с щелью для транспортирования яиц через электромагнитное поле сверхвысокой частоты добротность резонаторов очень низкая, следовательно, энергетические затраты высокие.

Помимо этого, имеется устройство для санитарной обработки инкубационных яиц комплексным воздействием электромагнитных излучений (патент № 2365102). Устройство содержит источники инфракрасных излучений и генераторы надтональной частоты (22 кГц или 110 кГц), расположенные над диэлектрическим диском с ячейками для транспортирования яиц. Данное устройство позволяет обеззараживать яйца в непрерывном режиме (но не варит их) для получения белкового корма.

Учеными России и Казахстана (Новиковой Галиной Владимировной – доктором технических наук, профессором, главным научным сотрудником Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», г. Княгинино, Российская Федерация; Жданкиным Георгием Валерьевичем – кандидатом экономических наук, доцентом, первым проректором по учебной и методической работе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия», г. Нижний Новгород, Российская Федерация; Беловой Марьяной Валентиновной – доктором технических наук, профессором кафедры «Электрификация и автоматизация» Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино, Российская Федерация; Орловой Ольгой Ивановной – старшим преподавателем кафедры «Физико-математические науки» Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, г. Княгинино, Российская Федерация; Семеновым Владимиром Григорьевичем – доктором биологических наук, профессором, заслуженным деятелем науки Чувашской Республики, заведующим кафедрой морфологии, акушерства и терапии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия», г. Чебоксары, Чувашская Республика, Российская Федерация; Баймукановым Дастанбеком Асылбековичем – доктором сельскохозяйственных наук, профессором, членом-корреспондентом Национальной академии наук Республики Казахстан, главным научным сотрудником ТОО «Казахский научно-исследовательский институт животноводства и кормопроизводства», г. Алматы, Республика Казахстан; Исханом Кайратом Жалеловичем – кандидатом сельскохозяйственных наук, ассоциированным профессором, академиком Международной академии информатизации, профессором кафедры физиологии, морфологии и биохимии имени академика Н.У. Базановой, г. Алматы, Республика Казахстан) разработаны и обоснованы параметры установки, обеспечивающей термообработку и обеззараживание отбракованных инкубационных яиц для получения качественного белкового корма при сниженных энергетических затратах.

Материал и методы исследований

На основе анализа конструкционного исполнения существующих установок, обеспечивающих варку яиц без воды в непрерывном режиме, работающих с использованием энергии электромагнитных излучений сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ), Государственным бюджетным образовательным учреждением высшего образования «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», разработана новая рабочая камера со сферическими передвижными резонаторами, позволяющая снизить удельные энергетические затраты на технологический процесс термообработки яиц.

Результаты исследований и их обсуждение

Предлагается сверхвысокочастотная установка с маломощными магнетронами, воздушным охлаждением для варки яиц без воды в непрерывном режиме, путем многократного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты в режиме «нагрев-пауза».

Технической задачей разработки является обеспечение скважности непрерывного технологического процесса воздействия ЭМПСВЧ менее, чем 0,5 кВт∙ч/кг и электромагнитной безопасности при достаточно высокой собственной добротности резонатора, образующего резонаторно-лучевую электродинамическую систему.

Микроволновая установка (рисунок 1) для термообработки яиц в непрерывном режиме содержит в цилиндрическом экранирующем корпусе 1, установленном на монтажной стойке 15, соосно, по периметру нижнего основания, диэлектрический ободок 3, прикрепленный к зубчатому венцу 2, сцепленному с ведущей шестерней, установленной на вал электропривода.

1

2

3

Рисунок 1 – Микроволновая установка для термообработки непищевых яиц в непрерывном режиме: а) схематическое изображение; б, в) пространственное изображение с разных углов зрения; 1 – экранирующий корпус; 2 – зубчатый венец; 3 – ободок; 4 – петля шарнирная; 5 – полусфера нижняя; 6 – полусфера верхняя; 7 – магне-трон с излучателем; 8 – транспортер; 9 – лоток приемный; 10 – отверстие загрузочное; 11 – опрокидыватель; 12 – леска диэлектрическая; 13 – сетка экранирующая; 14 – лоток выгрузной; 15 – стойка монтажная

На ободок 3 с помощью шарниров 4 прикреплены нижние неферромагнитные полусферы 5 выпуклостью вниз, диаметром кратным половине длины волны, обтянутые направляющей леской 12, концы которой прикреплены к внутренней боковой поверхности экранирующего корпуса 1 там, где имеется окно с экранирующей сеткой 13. Здесь же имеется опрокидыватель 11 в виде направляющей диэлектрической рейки, прикрепленной к верхнему основанию экранирующего корпуса 1 с возможностью соприкосновения и опрокидывания нижних полусфер 5 в сторону его боковой поверхности и выгрузного лотка 14. Верхние неферромагнитные полусферы 6, равные по диаметру нижним полусферам 5, жестко закрепленные под верхним основанием экранирующего корпуса 1 выпуклостью вверх, имеют в верхних точках отверстия для направления излучателей магнетронов 7, расположенных по периметру на верхнем основании экранирующего корпуса. Верхняя полусфера 6 закрыта фторопластовой линзой. На верхнем основании корпуса 1 предусмотрено смотровое окно и загрузочное отверстие, под которым расположен приемный диэлектрический лоток 9. Расстояние между излучателями 7 должно быть не менее двух диаметров полусфер 6.

Технологический процесс термообработки яиц в непрерывном режиме происходит следующим образом.

Вначале необходимо включить электропривод ведущей шестерни, обеспечивающей вращение зубчатого венца 2 и диэлектрического ободка 3 с нижними полусферами 5. Затем – привод транспортера 8 для подачи яиц через загрузочное отверстие 10 и приемный лоток 9 в передвижные полусферы 5.

Далее необходимо включить СВЧ-генераторы, после чего лучи электромагнитных волн с помощью верхних полусфер будут направлены в нижние полусферы, где находятся яйца. При этом СВЧ-генератор будет работать в режиме резонансно-лучевой электродинамической системы. То есть, верхние полусферы 6, которые содержат фторопластовые линзы, будут работать в режиме лучевой электродинамической системы. Фторопластовая линза диаметром равным диаметру полусферы 6, обеспечивает фокусировки излучения. В момент, когда верхние 5 и нижние 6 полусферы располагаются соосно относительно друг друга, образуется сферический резонатор. При этом электромагнитные лучи от излучателей 7 направляются в нижние полусферы 5, отражаясь от их поверхности. В результате образуется стоячая волна и происходит термообработка сырья.

Наличие нескольких СВЧ-генераторов и их несинхронная работа дают усреднение суммарных отражений волн, что приводит к хорошей степени распределения электрического поля в рабочей камере и, следовательно, к равномерности нагрева сырья. К тому же при эффективной частоте вращения электродвигателя яйца в нижних полусферах колеблются, что также повышает равномерность нагрева компонентов яиц. Располагая магнетроны через равные определенные промежутки с учетом того, что эти промежутки должны быть намного больше, чем диаметр полусфер, можно достичь интерференции волн и исключения разрушения скорлупы яиц. Исследования показывают, что наилучшее распределение напряженности электрического поля в сферических передвижных резонаторах с щелью достигается при диаметре полусферы 12,24 см и зазоре до 1 см.

Такое конструкционное исполнение сферического резонатора с передвижной полусферой и стационарной сферой с фторопластовой линзой позволяет передавать на сырье до 80% энергии, излучаемой магнетроном, а без фторопластовой линзы – до 55%. Технические характеристики СВЧ (сверхвысокочастотной) установки приведены в таблице 1.

Государственным бюджетным образовательным учреждением высшего образования «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия» (г. Нижний Новгород, Россия) проведена технико-экономическая оценка применения разработанной установки в фермерских хозяйствах для переработки отбракованных инкубационных яиц. Эксплуатационные расходы на термообработку яиц в микроволновой установке в непрерывном режиме за 1 месяц по проектному варианту включают в себя затраты на заработную плату рабочих, энергию, техническое обслуживание и ремонт установки, амортизационные отчисления, прочие расходы.

Таблица 1 – Технические характеристики СВЧ-установки

Наименование

 

Производительность, шт./ч

кг/ч

200

12

Мощность магнетронов, кВт

3,2

Мощность вентилятора для охлаждения магнетронов, кВт

0,25

Мощность привода зубчатого венца, кВт

0,63

Мощность СВЧ установки, кВт

4,08

Удельные энергетические затраты, кВт·ч/кг

0,34

С учетом среднего размера заработной платы оператора, обслуживающего данную установку, по Нижегородской области размер заработной платы составит 106,25 руб./ч. С учетом уплаты НДФЛ и взносов в ПФР, ФОМС и ФСС и рабочего времени (32 часа) затраты на заработную плату составят 4862 руб.

Если потребляемая мощность разработанной СВЧ-установки составляет 4,08 кВт, тогда затраты на электроэнергию в месяц составят: 4,08 кВт∙22,5 ч∙7,3 руб./кВт∙ч = 670,14 руб. Амортизационные отчисления на 1 месяц от балансовой стоимости конструкции (72 тыс. руб.) составляет 1200 руб., а отчисления на текущий ремонт – 1440 руб.

С учетом прочих расходов (408,6 руб./мес.) и общепроизводственных расходов (1287 руб./мес.) общая сумма эксплуатационных расходов составляет: 4862 + 670,14 + 1200 + 1440 + 408,6 + 1287 = 9867,74 руб./мес.

Себестоимость эксплуатационных затрат на термообработку отбракованных инкубационных яиц в СВЧ-установке составляет: 9867,74 / 4493 = 2,2 руб./ шт.

Цена инкубационных куриных яиц составляет 25-35 руб./шт. С учетом того, что отбракованные после овоскопирования через 3-7 дней яйца теряют 80% своей стоимости, оптовая цена сырья на 03.10.2018 г. в среднем составит 3-5 руб./шт. В этом случае стоимость сырья составит 4493 шт./месяц∙4 руб./шт. = 17972 руб./месяц. Себестоимость термообработанного и обеззараженного отбракованного яйца по проектному варианту составит 4+2,2 = 6,22 руб./шт.

Если провести термообработку яиц массой 60 г (в среднем 270 кг/мес.), себестоимость белкового корма составит 6,22∙/0,06 = 104 руб./кг. Оптовая цена корма яичного для цыплят будет около 400 руб./кг. При реализации произведенного белкового корма из отбракованных инкубационных яиц путем воздействия ЭМПСВЧ по цене ниже рыночной – за 250 руб./кг – дополнительный доход составит 150 руб./кг.

Выводы

Таким образом, при использовании сферических резонаторов с передвижными полусферами и фторопластовыми линзами в стационарных полусферах, образующих резонаторно-лучевую электродинамическую систему, удельные энергетические затраты по сравнению с прототипом снижаются на 32% за счет использования одного вентилятора для охлаждения четырех магнетронов, установленных непосредственно к резонаторам (при этом электронные блоки расположены в шкафу управления). Себестоимость термообработанных отбракованных яиц составляет 104 руб./кг.

Статью подготовил Главный научный сотрудник отдела технологии выращивания молодняка и адаптации молочного скота Казахстанского НИИ животноводства и кормопроизводства Дастанбек Баймуканов, специально для портала "Агротехника в деталях"