Изобретение касается способа непрерывной стерилизации или пастеризации биологических и пищевых продуктов с использованием электромагнитного излучения. Изобретение также касается устройства для осуществления этого способа.
К биологическим продуктам относятся непищевые биологические вещества, используемые, например, в медицине и фармакологии, также как сыворотка, кровь, кровезаменители. К пищевым продуктам относятся любые пищевые продукты животного или растительного происхождения, например, молоко и молочные продукты яйца, кремы, вина, соки, в том числе соки с мякотью.
Все эти продукты обычно консервируют перед их упаковкой в емкости или пакеты.
Основными компонентами вышеупомянутых биологических и пищевых продуктов являются вода, сахара, минеральные соли, жиры, витамина, биохимические вещества, такие как ферменты, антитела и гормоны, а также компоненты микробиологического и вирусного происхождения. Например, молоко представляет собой водную эмульсию лактозы, казеина, жиров и ряда минеральных солей, при общем содержании воды превышающем 85% Болезнетворные микроорганизмы, находящиеся в этих пищевых продуктах, образуют так называемую бактериальную флору, которая может, помимо других, включать туберкулезные микробактерии и большое число вирусов, включая вирус полиомиелита.
Задача стерилизации и/или пастеризации рассматриваемых продуктов фактически состоит в ослаблении болезнетворной и ферментной активности микроорганизмов, при сохранении активных составных частей продукта, определяющие его органические и органолептические свойства.
Изо всех известных способов процессы с использованием нагревания до настоящего времени являются наиболее эффективными и потому наиболее распространенными.
Тепловые способы пастеризации и стерилизации, хотя и наиболее широко используются в промышленности, все они имеют очевидный недостаток: высокая температура неизбежно приводит к ухудшению качества продукта. При температуре пастеризации, а тем более стерилизации, происходит не только уничтожение микроорганизмов, но также инактивируются ферменты, белки и прочие активные вещества. Обрабатываемый теплом продукт изменяется свой вкус и цвет, и тем заметнее, чем длительнее нагревание и выше температуре.
Кроме того, использование косвенного нагрева посредством теплообменников создает проблему неравномерного нагрева, а использование прямого нагрева паром изменяет влажность продукта.
Поэтому существует потребность в создании новых технологий стерилизации и пастеризации пищевых и биологических продуктов, не имеющих недостатков известных способов.
Сравнительно недавно была предложена новая технология, не использующая поверхностей теплообмена. Ее принципы заключаются в следующем.
Микроорганизмы, как и любой живой организм, обладает плохой тепло- и электропроводностью. Из-за низкой электропроводности микроорганизмы ведут себя подобно диэлектрическим частицам и располагаются по линиям внешних магнитных полей.
На фиг.1 и 2 схематично показана структура микроорганизма А, представляющего собой, например, одноклеточный организм почти сферической формы, когда на него не воздействует электромагнитное поле. Если этот микроорганизм поместить между пластинами В и С конденсатора, в котором силовые линии электрического поля практически перпендикулярны поверхностям пластин конденсатора, то очертания микроорганизма изменяется и он примет форму А' вследствие миграции зарядов с противоположными знаками к разным сторонам микроорганизма. Таким образом, часть энергии внешнего поля передается микроорганизму в виде работы деформации, а часть энергии преобразуется в кинетическую энергию, увеличивающую возбуждение молекул микроорганизма и, тем самым повышающую температуру микроорганизма. Столкновения молекул вследствие их возбуждения и работа деформации вызывают ослабление и разрыв молекулярных связей и приводят к необратимым изменениям в структуре микроорганизма на фиг.2б направление электрического поля, создаваемого между пластинами В и С, изменено на противоположное, и вследствие этого молекулярный диполь изменяет свою ориентацию и форму на форму А11, симметричную вышерассмотренной форме А1. Высокочастотные колебания электрического поля, создаваемого пластинами В и С, вызывают соответствующие структурные изменения микроорганизмов на молекулярном уровне, сопровождаемые умеренным нагревом что обеспечивает полное разрушение микроорганизмов на определенных резонансных частотах.
Используя рассмотренный физический принцип, продукт может пастеризоваться или стерилизоваться путем его подачи высокочастотное электрическое или электромагнитное поле на время, достаточное для структурного разрушения болезнетворных микроорганизмов.
В японской патентной заявке N 2-211855 (1989 г.) описаны способ и устройство для стерилизации пищевых жидких продуктов с помощью высокочастотного электромагнитного излучения.
В этом известном способе продукт облучают микроволнами с частотой свыше 1 Гц, создаваемыми магнетронным генератором и подводимыми внутрь по оси по волноводу Продолжительность облучения весьма малая и составляет несколько секунд. Вследствие использования высокочастотных электромагнитных волн, для защиты пеpсонала, работающего рядом с устройством, необходимо предусмотреть экранирование. Интенсивный нагрев микроволнами вынуждает выполнять весьма короткую по продолжительности обработку и в быстрой последовательности. После каждого облучения продукт необходимо быстро охладить с тем чтобы он не изменил свои органические и органолептические свойства.
В патентах США US-А-2 576 862 и SU-А-3 272 636, Франции FR-А-2 547 732 и Германии DE-А-2 628 234 описаны другие способы и устройства с использованием электромагнитных волн в диапазоне микроволн и/или радиоволн. Эти способы и устройства применяют для обработки уже упакованных продуктов. Все они требуют соответствующего экранирования для защиты персонала от опасного излучения.
Дополнительно к этому, учитывая, что разлагающее действие переменного электромагнитного поля воздействует не только на болезнетворный микроорганизмы, но кроме того и на активные составные части продукта, определяющие его органические и органолептические свойства, указанные известные способы и устройства ухудшают органолептические свойства снижая ценность продукта.
Патент Великобритании N 2.193.624 раскрывает способ стерилизации и приготовления пищевых продуктов, таких как мясо, фрукты и овощи в сиропе или креме, согласно которому продукт в частности, в неупакованном жидком или вязком состоянии, содержащий бактериальное и споровое загрязнения, подвергают предварительному нагреванию в заданном объеме или в потоке заданной скорости, а затем осуществляют облучение указанного объема или потока предварительно нагретого продукта электромагнитным полем, и последующее охлаждение продукта до температуры, близкой к температуре окружающей среды или температуре упаковки.
Предварительное нагревание по этому патенту осуществляют в обычном теплообменнике с температурой 85-125oС. В качестве средства облучения предложено использовать микроволны, электронные лучи или рентгеновское излучение. Любое из этих средств опасно для персонала, и, кроме того, предварительное нагревание осуществляется при высоких температурах, ухудшающих качество продукта.
Задача настоящего изобретения заключается в устранении недостатков, указанных выше посредством создания таких способа и устройства для непрерывной стерилизации и/или пастеризации неупакованных биологических и пищевых продуктов, в частности в жидком или вязком состоянии, которые обеспечивали полную и однородную обработку продукта с высокой надежностью, сохраняя неизмененными его органические и органолептические свойства.
Следующая задача изобретения состоит в создании способа и устройства, не требующих применения специфического экранирования, и которые, следовательно, можно было бы можно использовать в сочетании или вместо стандартных нагревательных устройств.
И еще одна задача изобретения упомянутое устройство должно быть простым и экономичным, пригодным для мелких производителей.
Поставленные задачи решаются по изобретению тем, что продукт предварительно нагревают до температуры не ниже 40oС, но менее 50oС, электромагнитное поле создают посредством источника радиоволн в частотном диапазоне ниже 1 ГГц, облучают им продукт от 10 сек. до 1 мин, до температуры 50o и выдерживают в течение 10 сек до 1 мин в зависимости от концентрации бактериальной формы.
Тем самым, обработка продукта проходит при температурах, более низких, чем максимально допустимая температура для активных составных частей продукта, определяющих его органические и органолептические свойства.
Кроме того использование устройства по изобретению обеспечивает совершенно однородную обработку продуктов, независимо от того, является ли процесс непрерывным или периодическим.
Соответственно, устройство по изобретению, предназначенное для непрерывной стерилизации или пастеризации биологических пищевых продуктов, в частности, в неупакованном жидком или вязком состоянии, содержащих бактериальное и споровое загрязнения, и включающее емкость для исходного продукта, контейнер для сбора обработанного продукта, сообщенный с емкостью трубопроводом, средство облучения части трубопровода с продуктом электромагнитным полем, со средством удержания продукта внутри области облучения, нагреватель для предварительного нагрева продукта, а также средства для регулирования мощности и частоты электромагнитного поля, отличается от известных устройств тем, что средство облучения продукта включает, по меньшей мере, одну пару обращенных одна к другой излучающих поверхностей, связанных с генератором электромагнитного поля, работающего в диапазоне ниже 1 ГГц, трубопровод для продукта включает участок выдержки продукта при максимальной температуре, расположенной ниже области облучения, а средства для регулирования времени облучения и температуры продукта установлены так, чтобы вести облучение в течение от 10 сек до 1 мин, до температуры около 50oС.
Приведенные в формуле изобретения признаки способа и устройства по изобретению станут более понятными из подробного описания способа и устройства согласно изобретению, которое сопровождается следующими чертежами примерных вариантов выполнения конструкции, не ограничивающих объем изобретения. На чертежах:
фиг. 1а и 1b схематично иллюстрируют структуру болезнетворного микроорганизма:
фиг. 2 схема качественной связи между относительными диэлектрическими постоянными составных частей консервируемого продукта и резонансными частотами переменного электромагнитного поля;
фиг.3 схематичный вид первого варианта выполнения устройства по изобретению;
фиг. 4 схематичный вид части другого варианта выполнения устройства по изобретению;
фиг. 5 вид части третьего варианта выполнения устройства по изобретению; и
фиг.6 вид еще одного варианта выполнения устройства по изобретению.
Способ по изобретению применяется для заданного объема или заданного расхода продукта, содержащего бактериальное или споровое загрязнение.
Способ предусматривает стадию предварительного нагрева продукта известными методами нагревания до температуры, близкой к максимальной температуре обработки, например, 40-45oС. После этого следует стадия облучения электромагнитными волнами. В конкретном варианте выполнения, поле создают в открытом объеме, образованном парой противоположных облучающих поверхностей, соединенных с клеммами генератора. Генератор работает в диапазоне радиочастот ниже 1ГГц. Модность излучения Е и продолжительность облучения ti выбирают из условия повышения температуры продукта до максимального уровня (приблизительно 50oС) с тем, чтобы не изменялись органические и органолептические свойства продукта.
Затем следует стадия выдержки продукта в течение периода при практически постоянной температуры, соответствующей максимальной температуре процесса. На стадии выдержки происходит полное разрушение микроорганизмов, содержащихся в обрабатываемом продукте.
И в конце процесса обработки продукт подвергают охлаждению до температуры, применяемой для упаковки продуктов в стерильных условиях.
Фиг.2 качественно иллюстрирует связь между электроводностью групп микроорганизмов, находящихся в продукте, и резонансными частотами. Группы болезнетворных бактерий, спороносных бактерий и протеинов соответственно обозначены I, II и III, а их относительные диэлектрические постоянные е1, е2 и е3 связаны с резонансными частотами f1, f2 и f3. Если частота переменного электромагнитного поля ниже резонансных частот протеинов, то вполне возможно сохранение органических и органолептических свойств консервируемых продуктов. Испытания и исследования показали, что наиболее действенный диапазон радиочастот находится в интервале от 6 МГц до 1 МГц, применение которых разрешено действующими международными нормами для промышленных радиочастотных нагревателей. Лучшие результаты были получены с частотами между 6 МГц и 915 МГц. Естественно для каждого конкретного продукта наилучшие результаты были достигнуты при вполне конкретных частотах. Например, для молока прекрасные результаты получены при частоте около 27 МГц.
Удельная мощность электромагнитного поля, требуемая для повышения температуры на δ менее 10oС, с учетом неустранимых колебаний силы подводимого тока и параметров вспомогательного оборудования может лежать в пределах от 0,01 кВт/л (10 кВт/м3) до 0,10 кВт/л (100 кВт/м3). Более предпочтительно, удельная мощность должна находиться в пределах между 0,02 кВт/л, (20 кВт/м3) до 0,04 кВт/л (40 кВт/м3).
Обработку при необходимости можно выполнять за несколько повторяющихся стадий или за несколько циклов, при этом между последовательными циклами осуществляют промежуточное охлаждение.
В практической ситуации, нагрев поток молока с расходом около 1000 л в час до приблизительно 40oС и облучение его радиоволнами с частотой 27 М Гц с мощностью 15 кВт в течение приблизительно 25 с до повышения температуры молока до 50oС и последующая выдержка молока при практически постоянной температуре около 50oС в течение 30 с обеспечивает полное разложение бактериальной флоры и основных болезнетворных вирусов, сохраняя совершенно неизменным органические и органолептические свойства обрабатываемого продукта.
На фиг.3 показан первый вариант выполнения устройства для осуществления способа по изобретению.
Устройство по изобретению содержит несколько элементов, связанных последовательно в гидравлический контур трубопроводом 1. Это для обрабатываемого продукта, насос 3, нагреватель 4 для предварительного нагрева, средство облучения 5, участок 6 выдержки, снабженный теплоизоляцией, блок 7 охлаждения и контейнер 8 для сбора обработанного продукта.
Более конкретно, средство облучения 5 включает в себя емкость 9, в которую поступает определенное количество продукта, объем которого ограничен парой плоских пластин 10 и 11, соединенных с клеммами источника 12 электромагнитных волн. Источник 12, выполненный по известной технологии, не являющейся предметом настоящего изобретения, включает в себя триодный генератор 13 и схему 14 усиления, питаемые от входной сети 15. Температурный датчик 16, расположенный ниже по технологической цепочке от емкости 9, посылает сигнал в электронный управляющий блок 17. С помощью управляющего блока 17 можно регулировать мощность, частоту и длительность облучения по конечной температуре продукта. Дополнительный датчик 18 расположен после нагревателя 4. Датчик 18 используется для регулировки температуры продукта перед его подачей в средство облучения 5.
Таким образом, регулировка устройства в соответствии с окончательной температурой после облучения, выполняется автоматически, обеспечивая полное разложение микроорганизмов, содержащихся в продукте.
На фиг.4 схематично показано средство облучения второго варианта выполнения устройства по изобретению.
В этом варианте пластины средства облучения образованы, соответственно, наружным цилиндром 19 и элементом 20. Оба элемента расположены коаксиально и удерживаются в этом положении торцевыми изолиpующими стенками 21 и 22. В итоге между ними образуется торообразная полость 23. Обрабатываемые продукт подают насосом 3 через входной и выходной патрубки 24 и 25 в полость 23. Радиочастотный источник 12 и температурный датчик 16 практически не отличаются от таких же элементов показанных на фиг.4.
На фиг. 5 показан другой вариант выполнения средства облучения 5 по изобретению. Данное средство 5 содержит нижний элемент 26 с парой коаксиальных цилиндрических стенок 27, и 28, соединенных друг с другом нижней пластиной 29 и верхней пластиной 30. Верхняя пластина 30 соединена с цилиндрической стенкой 31, расположенной коаксиально цилиндрическим стенкам 27 и 28 нижнего элемента 26. Между верхней 30 и нижней 29 пластинами находится змеевик 32 с входом 33 и выходом 34. В выходе 34 змеевика размещен температурный датчик 16' и узел 35 охлаждения. После узла 35 охлаждения змеевик 32 входит в зазор между стенкой 27 нижнего элемента 26 и стенкой 31 верхнего элемента, образуя вторую секцию элемента, на выходе 36 из которой предусмотрен другой температурный датчик 16''. Значения температуры, детектируемые датчиками 16' и 16'' направляют в управляющий блок 17 для регулировки радиочастотного источника 12, подобного вышеописанному.
Змеевик 32 изготовляют из диэлектрического материала, проницаемого для электромагнитных волн с тем, чтобы ограничить поглощение энергии переменного электромагнитного поля. Материал выбран с учетом того, чтобы его относительная диэлектрическая постоянная была меньше, чем относительная диэлектрическая постоянная активных составных частей продукта, определяющих его органические и органолептические свойства. Таким образом, змеевик 32 выполняет роль экрана по отношению к резонансным частотам названных активных составных частей продукта, защищая их от разрушающего действия поля.
В этом случае процесс консервирования осуществляют в два этапа, разделенных промежуточных шагом охлаждения, выполняемым в холодильном теплообменнике 35. Промежуточное охлаждение необходимо для ограничения максимальной температуры процесса.
На фиг.6 схематично показан другой вариант выполнения устройства по изобретению.
Рассматриваемое устройство включает в себя емкость 2, например, из нержавеющей стали, для хранения обрабатываемого продукта. Емкость 2 соединена с контейнером 8, подобным вышеописанному, для сбора обработанного продукта, пропущенного по гидравлическому контуру 1. После емкости 2 предусмотрен насос 3 переменной производительности. Переключающий клапан 37 направляет продукт из емкости 2 через трубу 38 в главный контур нагревателя 39 для предварительного нагревания, например, пластинчатого типа с противотоком, в котором в качестве нагревающей жидкости используют нагретый продукт.
После предварительного нагревателя 39 установлен нагреватель 40 подобный вышеописанному, но в качестве нагревающей жидкости в нем используется вода с температурой приблизительно 85oС, циркулирующая по внешнему контуру 41, в котором предусмотрен регулируемый перепускной клапан 42. На выходе из нагревателя 40 установлен температурный датчик 43, управляющий клапаном 42, обеспечивая поддержание температуры продукта ниже максимальной температуры процесса (50oC) и, в любом случае, ниже температуры, при которой изменяются активные составные части продукта, определяющие его органические и органолептические свойства.
После предварительного нагревателя 40 расположена средство облучения 5 открытого типа с цилиндрической симметрией, подобное описанному выше со ссылкой на фиг.5. Цилиндрические коаксиальные оболочки облучающего средства 5 соединены с триодным генератором 13 или с другим аналогичным генератором, генерирующим радиоволны с частотой в пределах между 6 и 915 МГц. Частоту и мощность электромагнитного поля выбирают предварительно с учетом состава и концентрации бактерий в продукте, например, по способу отбора бактериальных проб.
При использовании для обработки продукта относительно длинных радиоволн для устройства не требуется специфическая защита, обеспечивающая безопасность окружающей среды. В результате уменьшается сложность и стоимость оборудования, и его можно устанавливать в стандартных условиях без риска причинения вреда обслуживающему персоналу.
Как было указано ранее, готовый продукт из средства облучения 5 направляют во вторичный контур предварительного нагревателя 39, утилизируя часть тепла облучения. Продукт из вторичного контура предварительного нагревателя, охлажденный приблизительно до 30-35oС, затем направляют в главный контур узла 44 охлаждения, в котором используется смесь воды и гликоля, охлаждаемая до температуры приблизительно 0oС в соответствующем холодильнике. Продукт, охлажденный до конечной температуры процесса около 15oС, направляют по трубопроводу 45 в накопительный резервуар 8, из которого продукт разливают в соответствующие емкости или пакеты.
Целесообразно после облучающего средства 5 предусмотреть область выдержки облученного продукта при практически постоянной температуре для завершения процесса разложения бактериальной флоры. Такая область выдержки может быть выполнена в виде раздвижной трубы 46, причем ее приемная и возвратная ветви 47 и 48 теплоизолированы. Варьируя длину частей 47 и 48, можно изменять продолжительно выдержки, например, в пределах от 10 секунд до 1 минуты в зависимости от состава и концентрации болезнетворных микроорганизмов.
На выходе из ветви 48 трубы 46 выдержки установлен температурный датчик 16, посылающий электрический сигнал в управляющий блок 17 генератора 13 для поддержания окончательной температуры продукта на уровне ниже 50oС. С тем, чтобы гарантировать, что не будет превышена заданная максимальная температура, в петле диэлектрической трубы облучающий секции можно дополнительно предусмотреть вспомогательный блок охлаждения (не показан).
В соответствии с другой отличительной особенностью изобретения труба 49 ответвляется от трубы 38 в месте переключающего клапана 37. Продукт направляют непосредственно во второй участок диэлектрического змеевика, смонтированный внутри облучающей секции 5. Названная часть контура используется для выполнения, в случае необходимости, предварительной обработки для разрушения живущих бактериальных масс и их сгустков, встречающихся, например, в сильно загрязненном молоке.
Устройство, показанное на фиг.6, позволяет повысить температуру продукта, используя известные способы нагрева вплоть до уровней темпеpатуры, близких к максимальной температуре обработки, которая достигается при облучении радиоволнами ограниченной мощности с относительно низкой частотой и с относительно большой продолжительностью облучения в пределах от 10 секунд до 1 минуты. В любом случае максимальная температура заметно меньше, чем температура в известных нагревающих устройствах.
Таким образом, мощность электромагнитного поля, затрачиваемая на разрушение микроорганизмом, составляет лишь небольшую часть мощности, подводимой к продукту, обеспечивая дополнительно к неоспоримым преимуществам радиочастотного нагрева, существенное уменьшение риска связанного с использованием этого вида энергии.
Устройство согласно изобретению может входить как составная часть и/или можно монтировать после стандартной системы стерилизации и/или пастеризации, повышая ее производительность.
Использование: непрерывная стерилизация или пастеризация биологических и пищевых продуктов, в частности, в неупакованном жидком или вязком состоянии. Сущность изобретения: способ непрерывной стерилизации или пастеризации биологических и пищевых продуктов заключается в том, что продукт предварительно направляют в нагреватель, а затем облучают в средстве, в котором создают переменное электромагнитное поле. Обработанный продукт собирают в контейнере и упаковывают в емкости или пакеты. Предварительное нагревание продукта осуществляют до температуры не ниже 40oС, но менее 50oС, а облучающее электромагнитное поле создают посредством источника радиоволн в частотном диапазоне ниже 1 гГц. Облучение ведут от 10 сек до 1 мин до температуры продукта 50oС, после чего продукт выдерживают в течение 10 сек - 1 мин, в зависимости от концентрации бактериальной флоры продукта. 2 с. и 9 з.п. ф-лы. 6 ил.
