Cовершенствование установки для снижения содержания токсичных веществ в молоке

МРНТИ: 65.13.13                                        

Казахстан ставит перед собой цели по развитию агропромышленного комплекса, направленные на значительные достижения в данной отрасли, превратив страну в один из ведущих аграрных центров Евразии. Для этого планируется перейти от производства сырья к созданию продуктов с высокой добавленной стоимостью, увеличив долю переработанной сельскохозяйственной продукции до 70 % в течение трех лет. Особое внимание уделяется переработке мяса, молока и зерна, а также развитию тепличного хозяйства. Важным направлением является поддержка отечественных агропредприятий, что способствует укреплению внутреннего рынка и улучшению позиций государства на глобальной платформе.

Следует подчеркнуть, Республика Казахстан занимает значительное место в различных событиях, касающихся ядерной энергии [2]. Одним из факторов радиационной опасности является радиоактивное загрязнение питьевой воды и пищевых продуктов. Загрязнение пищевых продуктов радионуклидами и тяжелыми металлами является одной из основных проблем пищевой безопасности. Жидкие продукты питания, такие как молоко и молочные продукты, имеют высокую питательную ценность. Они содержат легкоусваиваемые и сбалансированные между собой белки, жиры, углеводы, а также витамины, минеральные вещества и ферменты. Поэтому молочные продукты являются важной частью в рационе питания. Молоко является основным и ценным продуктом питания для населения многих стран мира.

На сегодняшний день разработан ряд многочисленных подходов к очистке пищевых продуктов, основанных на различных стадиях обработки, химических реакциях и процессах, таких как мембранная фильтрация, обратный осмос, химическое осаждение, окисление и адсорбция. Среди всех вышеперечисленных методов, сорбция с использованием различных адсорбирующих материалов, отличается простотой конструкции, широкой применимостью, экономической эффективностью и практичностью. Проблема очистки молока от токсичных веществ была всегда актуальной. Коровье молоко считается полноценным продуктом питания из-за высокого содержания белка, жира и основных минералов, однако потенциальное присутствие загрязняющих веществ в молоке представляет собой проблему для здоровья. Обзор международных исследований показывает, что молоко, используемое в качестве исходного сырья для производства молочных продуктов, часто содержит высокие концентрации токсичных веществ, что связано с состоянием экологии. Высококачественные и безопасные продукты питания являются необходимыми условиями для поддержания продовольственной независимости Казахстана и представляют собой важные задачи государственной политики в области здорового питания. В частности, молоко как массовый и биологически ценный продукт подвержено загрязнению токсичными веществами, включая радионуклиды и соли тяжелых металлов, что требует эффективных методов контроля и очистки. В работе представлена экспериментальная установка для очистки жидких пищевых продуктов от токсичных веществ методом адсорбции. Применение данной установки способствует существенному улучшению безопасности молока, что соответствует основным приоритетам государственной политики в области обеспечения качества и безопасности пищевых продуктов.

Материалы и методы исследований

На первичном этапе исследований был разработан эскизный чертеж и подобраны оптимальные параметры, которые позволили сконструировать установку. Установка предназначена для снижения содержания радионуклидов и солей тяжелых металлов в жидком пищевом продукте – в нашем случае в коровьем молоке. Одним из наиболее результативных способов удаления токсичных веществ из жидких сред является адсорбция. Доказано, что адсорбция является одним из наиболее эффективных и превосходных подходов благодаря широкому диапазону адаптируемости и простой конструкции используемого оборудования. С внедрением технологий были разработаны различные сорбенты для удаления из жидких пищевых продуктов загрязняющих веществ, как радионуклиды и тяжелые металлы. Особый интерес представляет применение природных и недорогих сорбентов в связи с простотой процесса и потенциальной эффективностью. Сорбенты природного происхождения обладают достаточно высокой сорбционной емкостью, при этом их стоимость относительно невелика.

Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментальной установки для очистки жидких пищевых продуктов от токсичных веществ методом адсорбции

1 – приемная емкость, 2 – кран для подачи жидкости самотеком, 3,7,11,12,13,14,15,16,17 – краны для подачи жидкости с помощью насоса, 4 – центробежно - лопастной насос, 5 – манометр, 6 – расходомер, 8 – сорбционная колонна №1, 9 – сорбционная колонна №2, 10 – сорбционная колонна №3, 18,19 – сборные емкости

Результаты и обсуждение

Экспериментальная установка (рис.1) для очистки жидких пищевых продуктов методом адсорбции представляет собой напорную систему, включающую три вертикальные колонны, соединенные с трубопроводной системой, насосом и управляющими кранами. Сконструированная установка включает в себя приемную емкость (начальный резервуар), в которую заливается коровье молоко в виде жидкого пищевого продукта. Температура молока составляет в среднем 18-20 °C, объем – 4-5 литров. Из приемной емкости жидкость поступает в систему для дальнейшей очистки. Процесс движения жидкости будет проходить самотеком (2) без использования насоса, то есть по естественному падению – либо с помощью открывания крана (3) с подключением центробежно лопастного насоса который перекачивает жидкость под давлением в систему. Насос имеет возможность трехступенчатого регулирования частоты вращения. Для контроля параметров системы установлен  манометр, измеряющий давление жидкости после насоса, чтобы контролировать рабочее давление в системе. Кроме того имеется расходомер. (6), предназначенный для измерения количества жидкости, проходящего через систему, что позволяет контролировать скорость потока. После всех установленных параметров, данная жидкость будет очищаться от токсичных веществ с помощью вертикальных колонн (8,9,10). Преимуществом данной установки является возможность индивидуального включения каждой колонны или их комбинированного соединения в различной последовательности, что позволяет гибко учитывать условия эксперимента и подбирать наиболее эффективные режимы адсорбции. Исследованы различные виды природных сорбентов, что дало возможность выбрать наиболее подходящие для эффективного удаления токсичных веществ. Ранее разработанные установки отличались различными конструктивными особенностями, в том числе наличием систем с четырьмя параллельными колоннами и различными объемами сорбентов [13].

Применение этих различных конструкций позволило дополнительно усовершенствовать экспериментальную установку, повысив ее эффективность и функциональность.

Поток жидкости подает в систему через верхний резервуар и далее, с помощью насоса, направляется к сорбционным колоннам, заполненным различными сорбентами.

Управляющие краны позволяют задать следующие режимы прохождения жидкости: Одиночное прохождение жидкостей:

• 1 .Только через первую колонну (8);

• 2 .Только через вторую колонну (9);

• 3 .Только через третью колонну (10).

Комбинированное прохождение жидкостей:

• 1 .Первая и вторая колонна (8,9);

• 2 .Первая и третья колонна (8,10);

• 3 .Вторая и третья колонна (9,10);

• 4.Последовательное прохождение через все три колонны (первая, вторая и третья колонна).

  

  Рисунок 2. Экспериментальная установка для очистки жидких пищевых продуктов от токсичных веществ методом адсорбции

  
  

Экспериментальная установка (рис 2.) зафиксирована на вертикальном стенде, в котором все элементы соединены полипропиленовыми трубами, диаметром 20 мм.

Конструкция включает в себя:

• •    приемную емкость (1) объемом 5 литров, выполненную из полипропилена (контейнер марки IDEA),

• •    кран для подачи жидкости самотеком (2),

• •    кран-регулятор потока жидкости (3),

• •    центробежно-лопастной насос модели RDR Rs 32-8-180, допустимой температурой перекачиваемой жидкости до 110 °С и потребляемой мощностью 245 Вт. Насос имеет три уровня рабочей мощности: первая мощность - 135

Вт, вторая мощность - 200 Вт, третья мощность -245 Вт.

• •    Манометр (5) марки ZEIN, радиального исполнения, диаметр корпуса - 50 мм, рабочее давление до 10 бар, резьба соединения - ¼ дюйма. Размеры: высота - 7 см, ширина - 2,8 см, длина - 5,3 см.

• •    Расходомер (6) марки Gerrida, механический, одноструйный, модели СВК-15 Г, предназначен для измерения объема жидкости, прошедшей через установку.

Имеются краны-регуляторы жидкости (7,11,12,13,14,15,16,17) в количество – 10 шт. Внутри каждой из трех адсорбционных колонн (8, 9, 10) установлены резиновые прокладки из материала.ТМКЩ(тепло/морозо/кислото/щелочес тойкая техническая резина), по одной в верхней и нижней части колонны. В нижней части каждой колонны также размещены три пищевые сетки с диаметром ячеек от 1 до 3 мм (рис. 3), служащие для предотвращения выноса сорбента. После очистки молоко собирается в две стеклянные сборные емкости объемом по 5 литров (18, 19). В задней части подставки установлен сетевой фильтр для подключения насоса [14,15].

1 - верхняя крышка

3 - цилиндрический корпус

Рисунок 3. Конструкция модульной адсорбционной колонны с фильтрующей сеткой

2 - нижняя крышка

Каждая колонна содержит определенный сорбент природного происхождения, подобранный с учетом его селективности по отношению к радионуклидам ионов тяжелых металлов. В каждую колонну загружаются три различных вида природного сорбента с фракцией 2-1 мм. В качестве сорбентов использовались: цеолит из Чанканайского месторождения (Кербулакский район, Алматинская область), шунгит Коксуского месторождения и активированный уголь 207С, полученный из скорлупы кокосовых орехов. Использование различных комбинаций колонн позволяет учитывать эффективность сорбции в зависимости от последовательности фильтров и типа применяемых сорбентов [15].

Заключение, выводы

Разработанная установка для очистки молока от токсичных веществ представляет собой технологически эффективное и универсальное решение, направленное на обеспечение безопасности жидких пищевых продуктов. Применение природных сорбентов, гибкая схема прохождения жидкости через сорбционные колонны и простота конструкции делают установку перспективной как для лабораторного использования, так и для внедрения в небольших производственных условиях. Проведенные испытания подтвердили работоспособность адсорбционной установки. Дальнейшие исследования могут быть направлены на количественное определение содержания токсичных веществ до и после прохождения молока через адсорбционную систему. Дополнительное проведение экспериментальных работ по количественной оценке эффективности удаления токсичных веществ, а также изучение влияния очистки на основные показатели качества молока – содержание белка, минеральных веществ, органолептические свойства и микробиологическую безопасность. Особое внимание следует уделить изучению влияния повторного применения сорбционных колонн на эффективность удаления загрязняющих веществ, что позволит оценить рентабельность и стабильность работы установки в длительной перспективе.