Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Бактерицидные препараты для улучшения качества воды и энергосбережения при пастеризации молока

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Бактерицидные препараты для улучшения качества воды и энергосбережения при пастеризации молока"

На правах рукопиои

.)

ДРОВОВОЗОВА ТАТЬЯНА ИЛЬИНИЧНА

БАКТЕРИЦИДНЫЕ ПРЕПАРАТЫ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ПАСТЕРИЗАЦИИ МОЛОКА

Специальность:

11.00.11 — "Охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов" 05.18.04 - "Технология мясных, молочных и рыбных продуктов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 1998

Работа выполнена на кафедре химии и прикладной экологии Новочеркасской государственной мелиоративной академии (НГМА)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ В.В. Денисов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Е.А. Косолапов; доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.Н. Приступа.

Ведущая организация - Министерство сельского хозяйства, перерабатывающей промышленности и торговли правительства Ростовской области.

Защита состоится "■// " Qpy/vjiihj> 1998 года в ".¿D" час на заседании диссертационного совета К 120.76.01 в Новочеркасской государственной мелиоративной академии по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской области, ул. Пушкинская, 111, аудитория 236.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью предприятия, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан "¿0" у &/<.%■ 1998 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных наук, профессор, Заслуженный

мелиоратор РФ Г.Н. Мартыненко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема обеспечения надлежащего качества воды, предназначенной для питья и приготовления напитков, является весьма актуальной.

В качестве перспективного направления в практике водо-подготовки ныне признаётся метод обеззараживания и консервирования воды препаратами на основе серебра. Он позволяет существенно уменьшить энергозатраты на вышеуказанный процесс, упростить его технологическую схему, снизить расход материалов и при этом улучшить качество воды. Наряду с этим снимается проблема безопасности для обслуживающего персонала и населения, проживающего вблизи водоочистных сооружений, соответственно улучшается и экологическая обстановка. Очевидно, что расширение номенклатуры таких бактерицидных препаратов, которые были бы технологически доступны, экономически приемлемы в сочетании с экологической и физиологической безопасностью является важной задачей.

Другой не менее важной проблемой является обеспечение достаточно длительного срока хранения скоропортящихся продуктов питания в частности молока. Для её решения часто применяют высокотемпературные технологии обработки пищевых продуктов. Однако их использование влечёт за собой увеличение энергозатрат, что сказывается, в свою очередь, на себестоимости готовой продукции. С другой стороны процессы высокотемпературной пастеризации (стерилизации) приводят к негативным изменениям в витаминном составе продукта (молока), минерализации белковых структур. Поэтому снижение температуры пастеризации при условии сохранения бактериальной устойчивости продуктов является крупным резервом энергосбережения и, соответственно, улучшения технико-экономических показателей предприятий пищевой индустрии. Согласно расчётам, уменьшение температуры пастеризации молока лишь на 1°С способствует снижению энергозатрат почти на 2 кВт-час.

Работа выполнена в соответствии с государственной программой "Экологическая безопасность России" и региональной программой "Дон" (1997-2000 гг.).

Цель работы заключалась в изучении бактерицидной активности препаратов серебра, прежде всего комплексных соединений серебра, в области повышенных температур, определении условий использования их для увеличения эффективности процесса пастеризации напитков, а также обосновании с эколого-экономических и санитарно-гигиенических позиций рекомендаций их применения в ресурсосберегающих технологиях обеззараживания воды и производства пастеризованного молока.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

На основе критического анализа существующих методов обеззараживания питьевой воды и жидких пищевых продуктов (в частности молока) выбрать метод, целесообразный как с экономической, так и с эколого-гигиенической точек зрения; установить температурную зависимость бактерицидной активности препаратов серебра и провести необходимые технологические расчёты; определить оптимальные технологические параметры процесса пастеризации напитков в присутствии ионов серебра; разработать технико-экономическое обоснование эффективности применения препаратов серебра в технологиях тепловой обработки молока.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования являются модельные водные растворы, водопроводная вода, цельное молоко, восстановленное молоко, бактерицидные препараты на основе серебра и меди, санитарно-показательные микроорганизмы Е.соН, патогенные микроорганизмы (salm.enterit.idis, э^^.Ботш, Б1^.пешса511е, зЫ§.Аехпеп, е.соИ), температура.

Методы исследований включали: критический анализ результатов других авторов, постановку экспериментов в лабораторных условиях, математическую обработку полученных результатов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением стандартных аналитических методов и подтверждена результатами экспериментальных исследований, получением прогнозируемых результатов при работе на реальных объектах.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые проведено комплексное изучение бактерицидной активности аммиачного комплекса серебра применительно к питьевой воде; обна-

ружен и изучен синергизм бактерицидного действия ионов серебра и меди (И) в концентрациях, не выходящих за пределы их ПДК.в питьевой воде; отмечено заметное увеличение бактерицидной активности ионов серебра в области повышенных температур; на основе изучения процесса обеззараживания молока препаратами серебра (ниже ПДК) дано объяснение механизма этого процесса; найдены математические закономерности влияния температуры на бактерицидную активность препаратов серебра применительно к молоку.

Практическая ценность. Найдены условия сохранения бактерицидной активности ионов серебра во времени, способствующие увеличению устойчивости воды и напитков на её основе к бактериальному загрязнению; впервые предложено использовать комплексное соединение серебра, приготовленное на основе никотиновой кислоты (провитамин РР) в качестве дизинфектанта и консерванта молока, что способствует повышению питательной и витаминной ценности продукта; разработаны основы энерго- и ресурсосберегающей технологии пастеризации натурального молока, а также определены оптимальные параметры данного процесса; предложена схема устройств для дозирования препаратов серебра в по ток обрабатываемого молока; доказана эколого-зкономическая целесообразность введения препаратов серебра в питьевую воду, используемую для восстановления сухого молочного порошка, что одновременно способствует улучшению органо-лептических показателей напитка.

Апробация работы и публикации. Основные материалы и результаты исследований докладывались на научно-технической конференции аспирантов и студентов НГМА (1997 г.), научной конференции НВВККУС и УВВИУС (г. Новочеркасск, г. Ульяновск, 1997 г.).

По материалам диссертационной работы опубликовано 11 научных работ.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований бактерицидной активности аммиачного комплекса серебра в воде;

- эколого-экономическое и санитарно-гигиеническое обоснование выбора предлагаемых дезинфектантов;

- способы получения и введения препаратов серебра в обеззараживаемую жидкость;

- результаты изучения обеззараживания и консервирования молока препаратами серебра (C5H4NCOOAg, AgNOз, Ад+(эл.));

- технико-экономическое обоснование эффективности использования препаратов серебра в процессе пастеризации молока.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы, приложений. Общий объём диссертации 166 страниц, в том числе: рисунков 19, таблиц 57. Список используемой литературы включает 151 наименований.

Выражаю благодарность доценту НГМА А.П. Москаленко, В.И. Токареву за консультации при подготовке работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается актуальность, научная новизна и практическая ценность исследований, определены цели и задачи настоящей работы.

В первой главе дан аналитический обзор научно-технической отечественной и зарубежной литературы по методам обеззараживания питьевой воды и молока. Проведённый анализ показал, что из известных технологий обеззараживания питьевой воды, серебрение является наиболее эффективным для малых и средних объёмов; он учитывает экономические и эколого-гигиенические требования, предъявляемые к современным методам: отсутствие побочных токсических продуктов в водоподготовке, экологически безвредное последействие, энергосбережение.

В то же время большинство исследователей изучали бактерицидную активность электрохимических ионов серебра и очень мало уделяли внимания другим, достаточно хорошо изученным в химии соединениям на основе серебра, например комплексным соединениям последнего.

Положительный опыт применения воды, содержащей ионы серебра в лечебной практике, а также в практике водоснабжения и приготовления безалкогольных и алкогольных напитков на её основе, позволяет обоснованно рекомендовать её для приготовления

жидких пищевых продуктов. Хотя сведения о возможности применения серебра в качестве консервантов для пищевых продуктов появились ещё в 30-40 годы, тем не менее работы по использованию серебра в качестве обеззараживающего и консервирующего препарата для молока малочисленны, а приведённые в них дозы серебра на много превышают предельно допустимые концентрации ионов серебра для воды.

Отсутствуют сведения о бактерицидной активности различных препаратов серебра в области высоких температур, что не даёт возможности оценить их эффект при пастеризации напитков, приготовленных на воде, содержащей ионы серебра.

Во второй- главе рассматривается бактерицидная активность аммиачного комплекса серебра в воде при различных концентрациях в нём ионов серебра и температурах. Практический интерес к данному соединению вызван тем, что оно не вызывает образование химически вредных веществ в питьевой воде, просто в получении, стабильно во времени и лучше усваивается организмом человека, чем другие формы серебра (ионная, коллоидная).

Колличество аммиака для приготовления комплекса брали 50% дополнительно от стехиометрии с целью смещения химического равновесия в сторону образования комплексного соединения:

[Аё(Ш3)2]+ £ Аё+ + ЖН3

Готовый "концентрат" содержал 1 г/дм3 в расчёте на Ag+. Требуемая в опытах концентрация последнего достигалась путём соответствующего разбавления "концентрата" расчётным количеством дистиллированной воды или внесением в обеззараживаемую воду необходимого количества "концентрата".

В качестве микробиологического тест-объекта была выбрана культура Е.соИ. Микроорганизмы вносили в т. н. физиологический раствор (0,9% ЫаС1 в дистиллированной воде) или природную воду. Анализ числа микроорганизмов производили в соответствии с ГОСТ 18963-73 "Вода питьевая. Методы санитарно-бактериологи-ческого анализа".

Изучали бактерицидную активность аммиачного комплекса серебра и сопоставляли её с таковой для AgNOз, Си2+, [Си(ЫН3).р', п также смеси ионов серебра и меди и смеси аммиач-

ных комплексов этих ионов. Полученные данные представлены в таблице 1. С этой целью рассчитывали среднюю скорость процесса отмирания микроорганизмов К:

т

где и N1 - соответственно исходное и выжившее количество клеток; т — время наблюдения (экспозиции), мин.

Таблица 1 - Бактерицидная активность дезинфектантов

Препарат и его концентрация Исследованный интервал времени т, мин Значение средней скорости отмирания К, мин"1 К МИН'^МГ"1

Ионы меди (II), [Си2+]=0,1 мг/дм3 0 - 80 1,25-10-2 1,25-Ю"1

Нитрат серебра, ^+]=0,05 мг/дм3 0 - 60 7-Ю'2 1,4

Аммиачный комплекс серебра [Ае+]=0,05 мг/дм3 0 - 80 5-Ю"2 1,0

Смесь указанных ионов ([Си2+]=0,1+ [А§+1=0,05 мг/дм3) 0-40 1-Ю"1 2,0*

Смесь аммиачных комплексов серебра и меди, в соответствующих концентрациях ионов 0 - 50 8-Ю"2 1,6

Далее определяли удельную бактерицидную активность Куд, в расчёте на 1 мг используемого дезинфектанта.

Анализ полученных данных показал, что с ростом концентрации ионов серебра в аммиачном комплексе, соответственно возрастает и скорость отмирания микроорганизмов. Сопоставление бактерицидной активности различных препаратов выявило, что аммиач-

ный комплекс серебра по своей активности соизмерим с нитратом серебра. Более того, отмечается резкое возрастание бактерицидной активности изученных смесей, что позволяет сделать вывод о проявлении синергитического эффекта при концентрациях Ag+ и Си2+, не выходящих за их ПДК.

Известно, что природная вода, а также многие напитки, в частности молоко, содержат в своём составе ионы меди. Поэтому, естественное содержание ионов меди в обрабатываемой жидкости может оказывать влияние на возрастание бактерицидной активности ионов серебра.

В дальнейшем было проведено изучение воздействия температуры на бактерицидную активность аммиачного комплекса серебра. Значения температуры изменяли в пределах Ю...70°С, концентрацию ионов серебра в комплексе приняли равной 0,05 мг/дм3, исходная заражённость составляла 107 кл/см3. Верхний предел температур задавали с целью выяснения возможности применения препаратов серебра для процессов температурной пастеризации напитков.

Анализ полученных данных показал, что с ростом температуры бактерицидная активность аммиачного комплекса возрастает, причём в интервале температур Ю...40°С повышение температуры на каждые 10°С вызывает сокращение времени отмирания микроорганизмов примерно в 1,8 раза. При дальнейшем повышении температуры обнаруживается резкий излом прямых при значениях времени экспозиции 10-20 мин, после чего скорость отмирания соответственно снижается (рисунок 1). Можно предположить, что в области повышенных температур (более 40°С) изменяется механизм процесса обеззараживания.

Таким образом при относительно высоких температурах (40...70°С) достигаются весьма значительные скорости отмирания санитарно-показательных микроорганизмов Е.соН, при низких (на уровне ПДК) концентрациях серебра в аммиачном комплексе. Поэтому целесообразно использовать аммиачный комплекс серебра цля повышения эффективности процесса температурной пастеризации напитков, например молока, пива, соков и др.

Рисунок 1 — Температурная зависимость бактерицидной активности аммиачного комплекса серебра: 1 - 10°С; 2 - 20°С; 3 - 40°С;

4 - 60°С; 5 - 70°С

При разработке и особенно применении дезинфектантов, предназначенных не только для использования их сразу после получения, важным показателем их эффективности является устойчивость по бактерицидной активности во времени. Объектом служила водопроводная вода, которая была подвергнута медленному нагреванию с отдувкой остаточного хлора сжатым азотом, что обеспечивало большую объективность результатов. В качестве исходного дезинфектанта служил концентрат аммиачного комплекса серебра: свежеприготовленный, после 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 суток хранения (в закрытой посуде с притёртой пробкой и в тёмном месте). Исходное количество микроорганизмов в исследуемой воде равнялось 104 кл/см3. Концентрация ионов серебра в обеззараживаемой воде составляла 0,05 мг/дм3. Часть исследуемого концентрата хранилась в холодильнике при средней температуре 5°С, а другая - в герметичной, предварительно продезинфицированной посуде в темноте при 20±1°С (рисунок 2).

Рисунок 2 - Изменение бактерицидной активности аммиачного комплекса серебра во времени при температуре хранения: 1 - 5°С; 2 - 20±1°С

Анализ полученных результатов выявил постепенное (в течение 25 суток) падение активности бактерицидного препарата в результате его "старения". При дальнейшем хранении происходит более резкое снижение этого показателя. Таким образом, можно сделать вывод, что аммиачный комплекс в течение 15...20 суток хранения в темноте в герметической упаковке в интервале 5...20°С сохраняет свою бактерицидную активность на достаточном (с практической точки зрения) уровне.

Как показала практика водоподготовки, традиционные де-зинфектанты не обладают способностью предотвращать вторичное бактериальное загрязнение воды (после их применения) в течение длительного времени. Между тем проблема продолжительного хранения питьевой воды, а также предназначенной для приготовления напитков является весьма актуальной.

В связи с этим изучался процесс подавления скорости вторичного бактериального загрязнения воды. Для этого в воду вводили аммиачный комплекс серебра с концентрацией Ад4" 0,05 и 0,25 мг/дм3. Опыты проводили в течение 80 дней. Объектами ис-

следования служили: 1) водопроводная вода г. Новочеркасска; 2) природная вода, прошедшая все стадии водоподготовки, кроме обеззараживания хлором и 3) предварительно стерилизованная природная донская вогта. При этом из воды, подвергнувшейся обеззараживанию (объект 1), предварительно отгоняли остаточный хлор путём нагревания до 50°С в течение 3 часов. Эксперимент проводили при температуре 20±3°С. Полученные результаты представлены в таблицах 2, 3.

Тр блица 2 - Бактерицидное последействие аммиачного комплекса

Концентрация ионов серебра в комплексе, мг/дм3 Отрезок времени, в течение которого коли-индекс не превышает трёх, сутки

водопроводная вода стерилизованная вода

Контроль (бактерицидный препарат не введён) 1 2

0,05 40 45

0,25 75 70

Таблица 3 - Бактерицидное последействие аммиачного комплекса (вода не подвергнута предварительному обеззараживанию)

Концентрация ионов серебра в комплексе, мг/дм3 Время, необходимое для достижения коли-индекса 3, ч Отрезок времени, в течение которого ко-ли-индекс не превышает 3, сутки

0,05 6 25

0,25 4 45

Анализ полученных результатов показывает, что введен* аммиачного комплекса способствует сохранению качества воды г бактериологическим показателям в течение длительного времени.

Возможный механизм указанного явления, по нашему мн! нию, таков. В силу имеющегося равновесия

[А§(ЫН3Ы+ £ А§+ + 21Шз

в воде постоянно имеются небольшие количества ионов серебра и молекул аммиака, которые, очевидно, гидратируются:

NH3 + HzO ^ NH4OH.

И первые и вторые частицы обладают бактерицидной активностью, особенно свежеобразованный катион Ag+. Ионы серебра, перешедшие в раствор, способны связываться некоторыми анионами, присутствующими в воде (в первую очередь хлорид и сульфат-анионами). Однако малодиссоциирующие соединения серебра, такие как AgCl, Ag2C03, AgBr, Agi сами обладают заметной бактерицидной активностью. С другой стороны, из литературных источников известно, что многие нерастворимые или плохорастворимые соединения серебра, например хлорид серебра, легко растворяются в водном растворе аммиака, что связывают с образованием комплексных ионов [Ag(NH3)2]+. Равновесия, которые устанавливаются при взаимодействии хлорида серебра с водным раствором аммиака, можно представить следующей схемой:

AgCl £ Ag+ + СГ +

2NH3 it

[Ag(NH3)2]+

nPAgC1=l,8-10-10 при 25°C, т. e. [Ag+]=1,45 мг/дм3 в насыщенном растворе. Вводимые в раствор хлорида серебра молекулы аммиака связываются с ионами серебра в комплексные ионы [Ag(NH3)2]+, смещая равновесие в сторону растворения осадка (AgCl). В аммиачном растворе серебро находится в виде комплексных катионов и простых катионов Ag+, которые образуются в незначительных количествах в результате диссоциации комплексного иона.

В результате этого вода, обработанная аммиачным комплексом серебра, сохраняет способность сопротивляться вторичному бактериальному загрязнению.

Очевидно также, что с увеличением температуры равновесие последней реакции смещается вправо и концентрация ионов сереб-

ра в воде увеличивается, а следовательно, возрастает и бактерицидная активность препарата.

Далее проведены расчёты количества серебра в аммиачном комплексе для обеззараживания различных объёмов воды и времени, при котором может быть достигнута требуемая глубина обеззараживания, что необходимо для определения технико-экономических показателей.

В заключении второй главы было проведено эколого-гигиеническое обоснование применения аммиачного комплекса серебра для обеззараживания воды, которое показало, что концентрация используемых реагентов (А§+, Си2+, 1Шз, N03") не превышают значений их ПДК для воды.

В третьей .главе рассматривается влияние различных препаратов серебра на рост кислотности натурального и восстановленного молока, общую обсеменённость молока, а также на патогенные культуры, которые могут присутствовать и развиваться в молоке (8а1т.еп1егШсИ8, Б1^.50ппе1, зЫ&пе\кл:аз<;1е, э1^.£1ехпеп, е.соП), ухудшая его органолептические показатели и пищевую ценность. Определение титруемой. кислотности и общей обсеме-нённости молока проводили в соответствии с требованиями соответствующих ГОСТов. Приготовление разведений и высев патогенных культур, проводили по тестированным методикам.

С целью расширения номенклатуры дезинфектантов, впервые использовали комплексное соединение серебра с (3-пиридин-карбоновой кислотой (провитамин РР). В связи с ухудшением экологической обстановки, тенденции увеличения витаминного дефицита и, как следствие, уменьшении сопротивляемости организма различным заболеваниям, появляется необходимость в получении человеком либо с питьевой водой, либо с пищевыми продуктами биологически активных соединений, активизирующих внутренние силы организма. Под этим углом зрения, нами была рассмотрена возможность использования провигаминного комплекса серебра.

Для приготовления концентрата нитрата серебра требуемое его количество растворяли в дистиллированной воде. Навеску комплексного соединения рассчитывали, исходя из константы нестойкости (3,98-10"4). Электрохимическими ионами серебра молоко насыщали посредством ионатора ЛК-31.

Кислотность молока выражали в градусах Тернера (°Т): если на титрование 10 мл молока пошло X мл щелочи (станд. 0,1 н. раствор ЫаОН), то для выражения кислотности молока в °Т следует значение X умножить на 10.

При растворении сухого молока в питьевой воде, содержащей Ад+, обеззараживаемая среда в определенной степени меняет свои физико-химические свойства, в связи с этим исследовали бактерицидную активность ионов серебра в восстановленном молоке.

Анализ результатов показывает, что в восстановленном молоке, содержащем ионы серебра, кислотность нарастает значительно медленнее, чем в молоке, восстановленном на водопроводной воде, что объясняется влиянием ионов серебра на молочнокислые и маслянокислые бактерии. В связи с этим представляет практический интерес изучить дезинфицирующие свойства серебра в натуральном молоке.

Эксперимент проводили с молоком, пастеризованным при температурах 70; 75 и 80°С с выдержкой при этих температурах 20 с. Препараты серебра вносили в концентрациях (по иону) 0,05 мг/дм3 непосредственно перед пастеризацией. Кислотность измеряли в течение 48 часов. Начальная кислотность пастеризованного молока составляла 16,5°Т.

Результаты экспериментов показали, что через 48 ч хранения молока при температуре 6„.8°С, пастеризованного при 80°С, кислотность выросла на 0,5°Т; при пастеризации при 70 и 75°С - на 0,5...1,0°Т. В тоже время в контрольных пробах (в отсутствие ионов серебра) кислотность выросла на 2_.6°Т. Полученные результаты обрабатывали на ЭВМ методом наименьших квадратов с целью получения уравнений линейных регрессий (прямых) для различных проб молока, позволяющих прогнозировать момент времени, к которому достигается оптимальное значение кислотности последнего.

Выполненный на основе полученных уравнений расчет показал, что оптимальная кислотность содержащего серебро молока, подвергнутого пастеризации при 70°С, достигается через 7,5 суток, для 75 и 80°С - через 8 и 13,5 суток соответственно. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о достаточно высоком консервирующем эффекте препаратов серебра.

Математическая обработка позволила получить доверительные интервалы экспериментальных данных, в пределах которых надежность полученных результатов составила 95%.

Следующим этапом исследований было изучение влияния препаратов серебра на скорость отмирания патогенной микрофлоры молока. Для этого молоко искусственно обсеменяли патогенными бактериями (см. выше) в концентрации 104 кл/см3. Изучались температуры 50; 60; 70 и 75°С, концентрация Ag+ во всех пробах задавалась 0,05 и 0,5 мг/дм3.

Результаты эксперимента показали, что во всех пробах, нагретых до 50°С с выдержкой при этой температуре 20 с, наблюдался рост патогенной микрофлоры. По-видимому, при данной температуре в молоке создаются термостатные условия для развития и роста патогенных бактерий.

При нагревании до 60°С с выдержкой при этой температуре 20 с, в пробах, содержащих 0,05 мг Ag+/flm3, также наблюдался рост бактерий, но уже при концентрации 0,5 мг/дм3 роста патогенной микрофлоры не отмечалось, кроме salm.enteritidis. В инфицированных пробах молока, пастеризованных при 70 и 75°С с выдержкой 20 с и содержащих 0,05 и 0,5 мг/дм3 ионов серебра отмечалась полная гибель патогенных возбудителей. Однако с увеличением времени выдержки при температурах 50 и 60°С во всех пробах достигается заданная глубина обеззараживания. Результаты экспериментов подтверждены независимыми исследованиями ГЦБЛ г. Новочеркасска.

Далее была предпринята попытка проверить возможность применения известного уравнения Chick-Watson, описывающего кинетическую зависимость процесса обеззараживания питьевой воды бактерицидными химическими препаратами:

С"т = Кр, (2)

где С - удельная массовая концентрация препарата, мг/дм3; т -время экспозиции или достижения необходимого обеззараживающего эффекта, мин; п - положительная постоянная, соответствующая наклону кривой инактивации для данного микроорганизма при заданном С и Кр; Кр — константа резистентности микроорга-

низма в отношении данного обеззараживающего агента, которая зависит от вида микроорганизма, свойств обеззараживающего агента, рН среды, солевого состава.

После соответствующей обработки результатов было получено уравнение:

Т.С0,05.Т = 1(4 (3)

где Т - параметр, учитывающий влияние температуры пастеризации молока. Значения коэффициентов п и Кр для различных температур представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Значения коэффициентов п и Кр

Исследуемая температура, °С Значения коэффициентов

п кр Т

50 0,03 3,02 0,48

60 0,08 0,82 1,65

70 0,08 0,23 . 5,52

Анализ результатов подтверждает рамочный характер полученного уравнения, которые, на наш взгляд, зависят от свойств и состава обеззараживаемой среды.

Заключительным этапом исследований явилось изучение эффекта последействия ионов серебра в молоке. Результаты эксперимента показали, что через 5 суток хранения молока при температуре 15...18°С кислотность в контрольной пробе достигала 94 и 79°Т для температур пастеризация 75 и 80°С соответственно, тогда как кислотность молока, содержащего ионы серебра — 24°Т для указанных температур пастеризации. Дано объяснение механизма происходящих при этом процессов.

-Глава 4: Результаты исследований, представленные в предыдущей главе,'позволили установить, что полная гибель патогенной микрофлоры молока, заметное замедление роста его кислотности достигается уже при температуре пастеризаций 70°С с выдержкой при этой температуре 20 с, что на 5...6°С ниже таковой, установленной технологией производства.

Нами был проведен расчет затрат электроэнергий на пастеризацию при различных температурах с использованием известной формулы:

О = стЛ^ (4)

где С3 - количество теплоты, затраченное на нагревание (охлаждение) жидкости, Дж; с - удельная теплоёмкость жидкости, Дж/(кг-град) (для молока жирностью 2,5% с=3946 Дж/(кг-град)); ш - масса жидкости, кг; Д1 - разность конечной и начальной температур, град.

На основании проведенных расчетов получили зависимость затрат электроэнергия от температуры пастеризации, которая описывается уравнением:

У=0,4558Х + 22,999 (5)

где У - температура пастеризации, X - затраты электроэнергии, кВт-ч/т. Данное уравнение позволяет рассчитать затраты электроэнергии в кВт-ч (X) на процесс пастеризаций при различных температурах, а также затраты денежных средств, исходя из стоимости 1 кВт-ч.

Далее были предложены варианты технологических схем обеззараживания жидкости аммиачным комплексом серебра, электрохимическими ионами и комбинированно. При этом в технологических схемах предусматривается электрический подогреватель, который включается, если необходимо ввести препарат либо в "горячий" объект (при пастеризации), либо увеличить бактерицидную активность вводимого дезинфектанта.

При введения ионов серебра в молоко, нужно учитывать тот факт, что при работе электродов на их поверхности будут образовываться жировые пленки, которые приведут к снижению выхода серебра. Поэтому, на наш взгляд, целесообразно использовать автоматическое микродозирующее устройство, встроенное непосредственно в трубопровод перед подачей молока в пастеризационную ячейку (рисунок 3). Поскольку подача молока осуществляется под напором (при этом молоко нагрето до 60°С), то будет происходить

естественное перемешивание препаратов серебра в обрабатываемой жидкости.

препарат

Рисунок 3 -Принципиальная схема обеззараживания молока: 1 - пастеризационно-охладительная установка; 2 - сепаратор; 3 - гомогенизатор; 4 - дозирующее устройство; 5 - поточный выдерживатель; 6 - воронка

В дальнейшем было проведено технико-экономическое обоснование целесообразности применения препаратов серебра для пастеризации молока, предложен инвестиционный проект и финансовый план для одного из предприятий пищевой индустрии г. Новочеркасска. Необходимость проведения технико-экономического обоснования диктовалась, естественно, требованиями оценки эффективности инвестиций и необходимостью снижения их риска при внедрений модернизированной технологии пастеризации молока.

Предварительно было оценено экономическое положение мо-

лочной промышленности в условиях перехода к рынку на примере АО "Молочный завод "Новочеркасский", оно непрерывно ухудшается в связи с тенденцией спада поставок молсырья с одновременным ростом закупочных цен за 1 кг и стоимости 1 кВт-ч электроэнергии. При этом примерно 10% пастеризованного обычным способом молока возвращается торговой сетью на вторичную переработку, повышая тем самым издержки производства. В связи с вышеизложенным возникает необходимость разработки такой технологии пастеризация, которая обеспечивала бы снижение энергозатрат, а также способствовала увеличению срока хранения готовой продукций. С этой целью было рассмотрено два варианта увеличения прибыли предприятия: первый - за счет снижения температуры пастеризации молока путем введения в него препарата серебра и второй - за счет увеличения объемов производства продукции, предполагая её реализацию без потерь от преждевременной порчи, благодаря проявлению высокого консервирующего эффекта серебра, не изменяя при этом определённую технологическим регламентом температуру пастеризации.

Показано, что снижение температуры пастеризации даже на 5°С, достигаемое путём введения препарата серебра, приводит к уменьшению энергозатрат на 10,9 кВт-ч/т или около 4 руб/т. Затраты на серебро при этом составляют менее 0,1 руб, т. е. соотношение стоимости сэкономленной электроэнергии и стоимости расходуемого серебра составят 40:1.

Для годового объёма производства только фляжного молока экономия электроэнергии составит около 19 тыс. кВт-ч, а количество потребного серебра - менее 90 г.

Таким образом, применение препаратов серебра в режиме температурной пастеризации молока способствует улучшению технико-экономических показателей производства. Помимо чисто экономических при этом решается ряд эколого-гигиенических проблем. В частности, введение в молоко серебра — важнейшего для организма микроэлемента — в биотической дозе (она составляет около 0,09 мг) будет способствовать повышению питательной ценности продукта; кроме того, поскольку препарат С5Н4ЖЮОА§ получен на основе провитамина, его присутствие будет повышать и

витаминную ценность молока и других продуктов на его основе. С другой стороны, достигаемое снижение температуры пастеризации, как и времени выдержки при ней, приведет к частичному сохранению имеющихся в исходном молоке витаминов (как известно, многие витамины (А, С, группы В) при повышенных температурах разрушаются).

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Препараты серебра целесообразно применять:

- для обеззараживания и консервирования молока, особенно в районах с тёплым климатом, способствующим преждевременной порче продукта;

- для снижения температуры пастеризации, предусмотренной традиционной технологией обработки молока, с целью сохранения его пищевой ценности.

2. Концентрированный аммиачный комплекс серебра рекомендуется готовить путём растворения сульфата (нитрата) серебра марки ч.д.а. или х.ч. в растворе аммиака (50% избытка от стехиометрии) в дистиллированной воде. Далее расфасовывать в бутылки из тёмного стекла, хранить в тёмном месте при температуре 5...20°С. Срок хранения до употребления 20 суток.

3. Провитаминный комплекс рекомендуется получать сливанием раствора нитрата серебра с избыточным количеством раствора никотиновой кислоты. Отфильтрованный и высушенный порошок хранить в посуде из тёмного стекла.

4. С целью повышения бактерицидной эффективности разработанных препаратов целесообразно вводить их в поток жидкости дробно (порциями), а в случае использования в процессе температурной пастеризации напитков предварительно подогревать до соответствующей температуры.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Используемые ныне бактерицидные препараты для обеззараживания питьевой воды и консервации напитков на её основе не обеспечивают устойчивости ко вторичному бактериальному загряз-

нению, не эффективны в условиях повышенных температур, подчас сами являются источниками химического загрязнения и ухудшают органолептические свойства продукции, представляют опасность для обслуживающего персонала и в ряде случаев ухудшают экологическую обстановку близлежащих районов.

Некоторые препараты на основе серебра (растворимые соли, электролитически полученные ионы) лишены многих из указанных недостатков. Помимо этого их несложно получать на месте применения; соответствующие установки малогабаритны, требуют небольших энергозатрат, легко автоматизируются, что исключает необходимость в обслуживающем персонале. Поэтому расширение номенклатуры таких препаратов, способных (в отличии от вышеуказанных) длительно сохранять свои бактерицидные свойства, а также проявлять их в условиях повышенных температур и при концентрациях, не превышающих ПДК, закладывает основу для создания ресурсосберегающих, экологически и гигиенически приемлемых технологий обеззараживания воды и консервации напитков.

2. Изучена бактерицидная активность аммиачного комплекса для обеззараживания питьевой воды при различных концентрациях в нём серебра и температурах. Установлена его эффективность при низком (на уровне ПДК) содержании серебра, возрастающая с увеличением температуры, что позволяет рекомендовать данный препарат для температурной пастеризации различных напитков. Бактерицидная активность указанного комплекса повышается путём введения малых количеств ионов меди (II), при этом наблюдается синергитический эффект.

3. Изучение временной зависимости бактерицидной активности концентрированного аммиачного комплекса выявило возможность длительной сохранности указанного свойства этого вещества. Тем самым открывается перспектива централизованного производства крупных партий бактерицидного препарата с последующей расфасовкой и реализацией потребителям.

4. Ведение аммиачного комплекса резко снижает скорость вторичного бактериального загрязнения воды: так, при концентрации ионов серебра 0,05 мг/дм3, качество воды сохраняется на уровне требования ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая" по органолепти-

ческим и бактериологическим показателям в течение более 40 суток. Дано объяснение указанному явлению, исходя из особенностей электролитической диссоциации комплексного катиона [Ag(NOз)2]+, в частности под влиянием температуры, наличия анионов и катиона Си2+ в воде.

5. Исследование бактерицидной активности ионов серебра с концентрацией 0,05 мг/дм3 в молоке показало, что для полной гибели патогенной микрофлоры достаточно пастеризовать молоко при 70°С с выдержкой при этой температуре в течение 20 с. Тем самым установлена возможность снижения температуры пастеризации молока и, соответственно, энергозатрат.

Предложено кинетическое уравнение, описывающее процесс обеззараживания молока препаратами серебра, позволяющее рассчитывать продолжительность низкотемпературной пастеризации, необходимой для достижения требуемой глубины обеззараживания в присутствии ионов серебра, в концентрациях не выше ПДК.

6. Впервые изучена бактерицидная активность комплексного соединения серебра с провитамином РР в молоке; она сопоставима с таковой для электролитически полученных ионов серебра и нитрата серебра (в расчёте на единицу массу последнего). В то же время преимущество комплекса состоит в повышении питательной ценности продукта и снижении потерь витаминов при тепловой обработке молока.

7. Установлено явление значительного замедления роста кислотности молока, и обусловленное этим сохранение его физико-химических и органолептических показателей в случае приготовления продукта путём растворения сухого молочного порошка в воле, содержащей ионы серебра, по сравнению с молоком, полученным без введения указанного препарата в воду. Тем самым обеспечивается увеличение срока хранения готовой продукции (более чем на 1 сутки), что, в свою очередь, улучшит условия для реализации фляжного молока в торговой сети, уменьшит процент возврата некондиционного продукта на вторичную переработку и соответственно, снизит экономические потери.

8. Проведено эколого-экономическое и санитарно-гигиеническое обоснование целесообразности применения препаратов серебра в качестве консерванта молока. Предложен инвестиционный про-

ект и финансовый план для внедрения ресурсосберегающей технологии пастеризации в АО "Молочный завод "Новочеркасский".

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Способ обеззараживания питьевой воды и напитков на её основе.-Ростов н/Д, ЦНТИ, 1996, № 414 (в соавторстве).

2. Эколого-гигиеническая целесообразность применения препаратов серебра для обеззараживания воды.-М., Деп. в ВИНИТИ, 1996, № 3058.-60 с. (в соавторстве).

3. Ионатор серебра непрерывного действия для консервации питьевой воды и других жидкостей.-Ростов н/Д, ЦНТИ, 1996, № 687 (в соавторстве).

4. Устройство для дезинфекции воды.-Ростов н/Д, ЦНТИ, 1996, № 686 (в соавторстве).

5. Изучение действия ионов серебра на молочнокислые бак-терии.-М., Деп. в ВИНИТИ, № 1444, 1996.-5 с. (в соавторстве).

6. Действие температуры и ионов серебра на патогенную микрофлору в молоке.-М., Деп. в ВИНИТИ, № 2548, 1996.-5 с. (в соавторстве).

7. Способ термической обработки молока.-Ростов н/Д, ЦНТИ, 1996, № 9 (в соавторстве).

8. Улучшение экономических показателей пастеризации мо-лока.-М., Деп. в ВИНИТИ, 1996, № 3292.-69 с. (в соавторстве).

9. Действие ионов серебра на постороннюю микрофлору молока // Изв. СКНЦ ВШ. Технические науки, 1997, № 1 (в соавторстве).

10. Эколого-экономическое обоснование применения препаратов серебра для обеззараживания и консервирования молока // Актуальные вопросы мелиораций и природопользования: Тез. докл. науч.-техн. конф./ НГМА.-Новочеркасск, 1997.-е. 61-63.

11. Влияние препаратов серебра на стабилизацию виноградных вин.-М., Деп. в ВИНИТИ, 1997, № 999.-12 с. (в соавторстве).

Подписано в печать 23.04.98г. Тирак ЭОэкз. Заказ В 69 Типография НША 346428 г.Новочеркасск ул.Пушкинская III