УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРООБРАБОТКИ ЖИДКИХ И ТЕКУЧИХ ПРОДУКТОВ Российский патент 2000 года по МПК A23L3/32 C02F1/48 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, электрофизическим устройствам для высоковольтных технологий обеззараживания, консервирования, сохранения или улучшения исходных качеств пищевых продуктов, например, молока молочных продуктов, соков, сиропов, жидких яичных продуктов в пищевой промышленности, вин и виноматериалов в винодельческой промышленности, различных вакцин и других жидкотекучих медикаментов в фармацевтической промышленности, различных напитков, в том числе, спиртных, питьевой и сточных вод и других жидкостей и текучих продуктов. Изобретение может найти применение в химической, энергетической, строительной и других отраслях промышленности для сохранения и улучшения свойств, качеств жидкостей и текучих продуктов, а также в микробиологической промышленности для активации или инактивации микроорганизмов.

Известный способ обработки жидкостей и текучих продуктов по авторскому свидетельству СССР N 595945 A, М.кл. C 02 F 1/48, опубл. 15.08.1983 г., БИ N 18, импульсным электромагнитным полем длительностью (0,1...10) мкс и мгновенной мощностью импульсов (50. . . 1000) МВт. Однако обработка жидкостей в соответствии с этим способом не достаточно эффективна.

Известное устройство для консервирования жидких пищевых продуктов по патенту США N 4838154 М.кл. A 23 L 3/32, НКИ 99-451, опубл. 13.06.1989 г. T 1103 N 2, которое содержит камеру для обработки, в которой размещены два электрода на расстоянии один от другого и которая заполнена жидким пищевым продуктом, контактирующим с электродами. Устройство снабжено трубопроводами для ввода и вывода жидкого продукта и генератором импульсов высокого напряжения, которые подаются на электроды, размещенные в камере, которая обеспечивает напряженность электрического поля E > 0,5 МВ/м, а частота следования импульсов составляет 1 импульс за 1 минуту.

Основным недостатком этого устройства является низкая эффективность и низкая производительность обработки, которые связаны с низкой напряженностью электрического поля и большим количеством импульсов, которые необходимы для обработки единицы продукта.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по сути и результатам, который достигается, является устройство для увеличения сроков хранения жидких пищевых продуктов, которое описано в патенте США N 4695472, М. кл. A 23 L 3/32, НКИ 426-237, 426-238, 426-521, 99-451, публ. 22.09.1987 г. (выбрано за прототип).

Устройство содержит камеру, которая состоит из корпуса, выполненного из изоляционного материала, двух выполненных из токопроводящего материала электродов, верхнего и нижнего, противостоящих один другому, и между которыми размещен электрообрабатываемый продукт, ограниченный также стенками корпуса, которые примыкают к частям поверхностей электродов, которые (части поверхностей) противостоят одни другим, верхний электрод имеет в части поверхности, которая противостоит нижнему электроду, отверстие для ввода и вывода обрабатываемого продукта. Устройство также содержит генератор импульсов высокого напряжения, которые подаются на верхний и нижний электроды камеры, который (генератор) обеспечивает обработку продукта импульсами электрического поля напряженностью E ≥ 0,5 МВ/м, с плотностью тока 12 А/м², причем каждый из импульсов имеет длительность в диапазоне (1...100) мкс, обеспечивая нагрев обрабатываемого продукта до температуры 45^oC, при которой продукт подвергается обработке еще, по крайней мере, одним импульсом сильного электрического поля. В процессе обработки пищевой продукт может подвергаться дегазации при помощи вакуумирования, по крайней мере, в одной дегазационной зоне на пути протекания через, по крайней мере, одну из зон обработки.

К недостаткам этого устройства можно отнести низкую производительность и низкую эффективность обработки, которые обусловливаются тем, что продукт обрабатывается импульсами электрического поля с низкой (меньше 4,5 МВ/м) напряженностью, и тем, что для достижения нужного эффекта продукт необходимо подогревать до 45^oC, подвергая его действию множества импульсов, а при достижении этой температуры обрабатываемый продукт подвергнуть действию еще, по крайней мере, одного импульса сильного электрического поля. Установлено, что с повышением напряженности импульсов электрического поля, действующих на обрабатываемый продукт, степень обработки, инактивации микроорганизмов возрастает быстрее, чем прямо пропорционально напряженности /Hulsheger, et al., "Killing of Bacteria with Electric Pulses of High Field Strength', Radiat. Environ Biophys. 20, pp. 53-65, 1981/. При напряженностях, больших 4.5 МВ/м, это связано с тем, что кроме известного эффекта электрического пробоя клеточных мембран, который принимает участие в летальном действии на клетку при низких напряженностях импульсов электрического поля, появляются новые проявления действия электрического поля, которые связаны с нарушением функционирования органелл клеток, которые (проявления) в настоящее время далеко не изучены. Однако увеличить напряженность импульсного электрического поля в устройстве-прототипе не представляется возможным из-за наличия в камере устройства-прототипа зон, в которых происходит застой и завихрение обрабатываемого жидкого или текучего продукта. В этих зонах происходит слияние и налипание на поверхность электродов и на внутреннюю поверхность корпуса камеры газовых пузырьков, которые образуются за счет растворенных газов в обрабатываемом продукте при его нагреве в процессе электрообработки. Ионизационные процессы в газовых пузырьках, которые появляются под действием электрического поля, способствуют появлению внутри камеры между электродами электрических пробоев, которые приводят к порче обрабатываемого продукта. Использование в устройстве-прототипе дегазации обрабатываемого продукта при помощи вакуумирования до обработки является малоэффективным, поскольку растворенный газ все же поступает между противостоящими частями поверхностей электродов. В камере устройства-прототипа электрическая прочность вдоль поверхности корпуса от электрода к электроду меньшая, чем электрическая прочность жидкости или текучего продукта. Это уменьшает рабочую напряженность электрического поля в устройстве-прототипе, при которой еще не появляются электрические пробои, которые портят обрабатываемый продукт.

В основе изобретения поставлена задача повышения производительности и эффективности электрообработки жидких и текучих продуктов за счет реализации новых механизмов инактивирующего действия импульсов повышенной напряженности электрического поля (около 10 МВ/м и более) на микроорганизмы.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для электрообработки жидких и текучих продуктов, которое содержит генератор импульсов высокого напряжения и камеру, состоящую из корпуса, выполненного из изоляционного материала, двух выполненных из токопроводящего материала электродов, верхнего и нижнего, между которыми размещен электрообрабатываемый продукт и имеющих противостоящие друг другу части поверхностей, верхний электрод выполнен с отверстием для вывода из камеры электрообрабатываемого продукта, в соответствии с изобретением введен промежуточный электрод из токопроводящего материала с, по крайней мере, одним сквозным отверстием в центральной его части, размещенный между верхним и нижним электродами, нижний электрод выполнен с, по крайней мере, одним отверстием для ввода в камеру электрообрабатываемого продукта в частях его поверхности, не противостоящих поверхности промежуточного электрода, верхний электрод выполнен с, по крайней мере, одним отверстием для вывода из камеры электрообратываемого продукта в частях его поверхности, не противостоящих поверхности промежуточного электрода, а внутренняя поверхность корпуса выполнена с обеспечением соприкосновения электрообрабатываемого продукта не только с частями поверхностей нижнего и верхнего электродов, противостоящими (частями поверхностей) частям поверхности промежуточного электрода, но и с другими частями их поверхностей. За счет выполнения внутренней поверхности корпуса камеры таким образом, что обеспечивается соприкосновение электрообрабатываемого продукта не только с частями поверхностей нижнего и верхнего электродов, противостоящими (частями поверхностей) частям поверхности промежуточного электрода, но и с другими частями их поверхностей, а также обтекания обрабатываемым продуктом, после ввода в камеру через отверстие (отверстия) нижнего электрода, частей поверхности нижнего электрода, не противостоящих поверхности промежуточного электрода, протекания его между противостоящими друг другу частями поверхностей нижнего и промежуточного электродов, далее протекания через отверстие (отверстия) в центральной части промежуточного электрода, между противостоящими друг другу частями поверхностей промежуточного и верхнего электродов, обтекания частей поверхности верхнего электрода, не противостоящих поверхности промежуточного электрода, и вывода через отверстие (отверстия) верхнего электрода из камеры создаются условия, при которых не происходит слияния и налипания газовых пузырьков на поверхности электродов и на внутреннюю поверхность корпуса камеры, и существенно увеличивается напряженность импульсного электрического поля без возникновения электрических пробоев между электродами. Выделение газа при обработке за счет растворенных газов в электрообрабатываемом жидком или текучем продукте в камере, которая выполнена в соответствии с изобретением, которое предлагается, также происходит, однако размеры газовых пузырьков не достигают критических размеров (диаметров), близких к 1 мм, за счет ламинарного течения быстро выносятся из камеры и на электрическую прочность обрабатываемого продукта практически не влияют. Это позволяет проводить электрообработку жидких и текучих продуктов в камере, которая выполнена в соответствии с данным изобретением, импульсами электрического поля с амплитудой напряженности E > 10 МВ/м. При значительном (E > 10 МВ/м) повышении напряженности импульсного электрического поля, при помощи которого осуществляется электрообработка продуктов, кроме известного, который сохраняется, эффекта, приводящего к инактивации клеток, - электрического пробоя их мембран, возникает целый ряд новых механизмов инактивирующего действия импульсного электрического поля на микроорганизмы, а именно: нарушения молекулярных текстов, нарушение синтеза ДНК, разрыв множества слабых, но важных для нормального функционирования системы управления клеткой связей и других пока еще недостаточно изученных механизмов. Все это в конечном итоге обеспечивает проведение электрообработки жидких и текучих продуктов без предварительного нагрева продуктов значительно меньшим (по сравнению с прототипом) количеством импульсов электрического поля на единицу продукта, а соответственно, и с меньшими удельными затратами электрической энергии. Действие новых механизмов инактивации микроорганизмов с повышением напряженности импульсного электрического поля при электрообработке жидких и текучих продуктов повышает эффективность электрообработки и повышает производительность устройства за счет увеличения протока продукта через камеру при высокой (требуемой) степени электрообработки продуктов.

Заявителям не известны примеры конструктивного выполнения камеры, аналогичные (идентичные) описанному в данном изобретении.

Описанное исполнение камеры обеспечивает повышение производительности и эффективности электрообработки жидких и текучих продуктов за счет реализации новых механизмов инактивирующего действия импульсов повышенной напряженности электрического поля (около 10 МВ/м и больше), что недостижимо для известных устройств.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлен вариант общего вида устройства для электрообработки жидких и текучих продуктов.

Устройство для обработки жидких и текучих продуктов состоит из камеры, которая содержит выполненный из изоляционного материала корпус, состоящий, например, из двух половин 1 и 2, выполненные из токопроводящего материала нижний 3, промежуточный 4 и верхний 5 электроды. Промежуточный электрод 4, имеющий, например, одно сквозное отверстие 6 в центральной его части, размещен (электрод) между нижним 3 и верхним 5 электродами. Нижний электрод 3, имеющий часть 7 поверхности, противостоящую части 8 поверхности промежуточного электрода 4, выполнен (электрод 3) с отверстиями 9 для ввода в камеру электрообрабатываемого продукта 10. Отверстия 9 выполнены в нижнем электроде 3 внутри камеры в частях 11 его поверхности, не противостоящей частям 8 поверхности промежуточного электрода 4. Верхний электрод 5, имеющий часть 12 его поверхности, противостоящие части 13 поверхности промежуточного электрода 4, выполнен (электрод 5), с отверстиями 14 для вывода из камеры электрообрабатываемого продукта 10 в частях 15 его (электрода 5) поверхности, не противостоящих части 13 поверхности промежуточного электрода. Внутренняя поверхность 16 половин 1 и 2 корпуса камеры выполнена так, что обеспечивает соприкосновение электрообрабатываемого продукта 10 не только с частями 7 и 12 поверхностей нижнего 3 и верхнего 5 электродов, которые (части поверхностей) противостоят частям 8 и 13 поверхности промежуточного электрода 4, но и с частями 11 и 15 (то есть другими частями) поверхностей нижнего 3 и верхнего 5 электродов, которые (части поверхностей) не противостоят частям 8 и 13 поверхности промежуточного электрода 4. К промежуточному электроду 4 подключен высоковольтный (потенциальный) вывод 17 генератора 18 импульсов высокого напряжения, а к нижнему 3 и верхнему 5 электродам подключен заземленный вывод 19 генератора 18. Половины 1 и 2 корпуса имеют уплотняющие кольцевые прокладки 20 и 21 соответственно.

Отверстия 9 в нижнем 3 и отверстия 14 в верхнем 5 электродах соответственно для ввода в камеру и вывода из нее продукта состоят, например, из осевого (аксиального) отверстия, которое переходит в несколько, например, четыре, радиальных отверстия внутри камеры. Промежуточный электрод 4 может быть выполнен как с одним, так и с несколькими отверстиями в центральной части. Чтобы не происходило искажения электрического поля диаметр каждого из этих отверстий должен быть минимально допустимым, исходя из вязкости электрообрабатываемого жидкого или текучего продукта и нужной производительности.

В зависимости от производительности камеры, которая предлагается, и для более однородного распределения электрического поля в камере количество промежуточных электродов может выражаться любым числом, начиная с единицы. При этом промежуточные электроды будут иметь два варианта исполнения: с отверстиями в центральной части и по периферии; в камере они чередуются, причем ближайшими к верхнему 5 и нижнему 3 электродам будут промежуточные электроды с отверстиями в центральной части. При использовании трех, пяти или больше промежуточных электродов облегчаются условия работы камеры, улучшается (становится более однородным) распределение поля в ней при действии импульсов напряжения с амплитудами мегавольтного диапазона и формировании в ней поля с напряженностью 10 МВ/м и больше при величинах промежутков между соседними электродами камеры приблизительно (1...2) см. При использовании нескольких промежуточных электродов высоковольтный (потенциальный) вывод 17 может быть подключен к любому из них, но наиболее однородным поле в камере будет, когда вывод 17 будет подключен к среднему промежуточному электроду, между которым и верхним, а также нижним электродом находится одинаковое количество промежуточных электродов на одинаковом расстоянии между соседними электродами.

Высоковольтный (потенциальный) вывод 17 генератора 18 импульсов высокого напряжения может быть подключен к верхнему 5 (нижнему 3) электроду. В этом случае промежуточный электрод 4 (или промежуточные электроды, если их больше одного) к выводам генератора 18 не подключается (-ются), а к нижнему 3 (верхнему 5) электроду подключается заземленный вывод 19.

Устройство для электрообработки жидких и текучих продуктов работает следующим образом.

Жидкий (текучий) продукт 10, который подлежит электрообработке, через отверстия 9 (осевое (аксиальное) отверстие, которое переходит в радиальные отверстия в камере) нижнего электрода 3 вводится в камеру. В ней этот продукт 10 вдоль внутренней поверхности 16 нижней половины 2 корпуса обтекает части 11 поверхности нижнего электрода 3, которые не противостоят поверхности промежуточного электрода 4, поступает в пространство между частями 7 и 8 поверхностей электродов 3 и 4 соответственно, потом через отверстие 6 промежуточного электрода 4 поступает в пространство между частями 13 и 12 поверхностей электродов 4 и 5 соответственно, которые противостоят друг другу, и, обтекая верхний электрод 5, в том числе части 15 его поверхности, которые не противостоят поверхности электрода 4, вдоль внутренней поверхности 16 верхней половины 1 корпуса через отверстия 14 верхнего электрода выводится из камеры. Одновременно с подачей продукта 10 в камеру через выводы 17 и 19 от генератора 18 на промежуточный электрод 4, нижний 3 и верхний 5 электроды поступают импульсы высокого напряжения. Эти импульсы между противостоящими друг другу частями 7 и 8 поверхностей соответственно электродов 3 и 4 и между противостоящими друг другу частями 12 и 13 поверхностей соответственно электродов 5 и 4 преобразуются в импульсы электрического поля высокой напряженности и тока (проводимости и смещения), которые, действуя на электрообрабатываемый продукт 10, вызывают в последнем конечные (результирующие) эффекты. К ним можно отнести, например, инактивацию микроорганизмов в пищевых продуктах для увеличения сроков их хранения с сохранением их исходных качеств (свойств), создание новых комплексных соединений (комплексов), уничтожение микроводорослей в оборотной воде и предотвращение создания накипи в теплообменных аппаратах и др.

При обработке импульсами электрического поля продукта, который протекает между частями 7 и 8 и 12 и 13, противостоящими друг другу, поверхностей электродов 3, 4, 5 возможно выделение газов за счет частичного нагрева продукта. Однако в камере, которая выполнена в соответствии с предлагаемым изобретением, отсутствуют условия (отсутствуют застойные зоны, отсутствуют завихрения, внутренняя поверхность корпуса 1, 2 вынесена из зоны электрического поля, опасной в отношении развития нежелательных электрических разрядов) для слияния пузырьков и налипания их на электроды и внутреннюю поверхность корпуса камеры, и, соответственно, они (пузырьки) не могут быть центрами инициирования электрических пробоев между электродами в камере, что позволяет в предлагаемом изобретении значительно увеличить напряженность импульсного электрического поля во время обработки, а следовательно, повысить эффективность обработки с соответствующим увеличением производительности устройства. При значительном повышении напряженности импульсного электрического поля (10 МВ/м и больше) при обработке появляется ряд новых механизмов инактивирующего действия на микроорганизмы и на структуру продукта в целом. Напряженность электрического поля во время обработки, в соответствии с данным изобретением, ограничивается сквозной электрической прочностью электрообрабатываемого продукта.

Одновременно с действием импульсного электрического поля возникают другие факторы, которые положительно влияют на обрабатываемые продукты. К ним можно отнести импульсные токи высокой интенсивности (плотности), импульсное магнитное поле, импульсные перепады давления, температуры и др. Особенно эти факторы, которые влияют на свойства обрабатываемого продукта, начинают проявляться при значительном повышении напряженности импульсных электрических полей (до 10 МВ/м и больше).

Таким образом, в данном изобретении для электрообработки жидких и текучих продуктов за счет введения промежуточного электрода с, по крайней мере, одним отверстием в центральной его части, за счет выполнения внутренней поверхности корпуса камеры с обеспечением соприкосновения электрообрабатываемого продукта не только с частями поверхностей нижнего и верхнего электродов, которые (части поверхностей) противостоят частям поверхности промежуточного электрода, но и с другими частями их поверхностей, за счет выполнения верхнего и нижнего электродов таким образом, что электрообрабатываемый продукт вводится в, по крайней мере, одно отверстие нижнего электрода, обтекает части его поверхности, которые не противостоят поверхности промежуточного электрода, оказывается между частями поверхностей, которые противостоят друг другу, нижнего и промежуточного электродов, где проходит частичную электрообработку, через, по крайней мере, одно отверстие в центральной части промежуточного электрода вводится между частями поверхностей, которые противостоят друг другу, промежуточного и верхнего электродов, где происходит окончательная электрообработка, и, обтекая части поверхности, которые не противостоят поверхности промежуточного электрода, верхнего электрода, выводится из камеры, обеспечивается существенное повышение напряженности импульсного электрического поля и, соответственно, повышается эффективность и производительность устройства. Таким образом, поставленная в основу изобретения задача решена. Одновременно с решением поставленной задачи сохраняются все присущие устройству-прототипу преимущества (инактивация микроорганизмов в пищевых продуктах при сохранении первичных свойств, которые имеют сырые продукты, не прошедшие тепловую обработку, и др.) и в случае, когда заземленный (низковольтный) вывод генератора подключен к нижнему и верхнему электродам камеры, обеспечивается наибольшая электробезопасность устройства, связанная с устранением выноса высокого потенциала по трубопроводам с жидким или текучим продуктом. В этом случае, в отличие от устройства-прототипа, где один из электродов (верхний или нижний) находится под высоким потенциалом относительно заземленных частей устройства, в предлагаемом изобретении, оба (верхний и нижний) электрода, к которым подключаются трубопроводы для ввода в камеру и вывода из нее электрообрабатываемого продукта, соединены электрически накоротко и заземлены.

Таким образом, в данном изобретении обеспечивается решение поставленной задачи.

Устройство содержит выполненный из изоляционного материала корпус, состоящий из двух половин, в котором расположены выполненные из токопроводящего материала верхний и нижний электроды. Между этими электродами размещен промежуточный электрод, имеющий сквозное отверстие в центральной его части. Нижний и верхний электроды имеют отверстия для ввода и вывода из камеры обрабатываемого продукта. К промежуточному электроду подключен высоковольтный вывод генератора импульсов высокого напряжения, а к нижнему и верхнему электродам подключен заземленный вывод генератора. Жидкий продукт через отверстия в нижнем электроде вводится в камеру, потом через отверстие в промежуточном электроде поступает в пространство между промежуточным и верхним электродами и через отверстия в верхнем электроде выводится из камеры. Одновременно с подачей продукта в камеру от генератора на промежуточный, нижний и верхний электроды поступают импульсы высокого напряжения. Эти импульсы преобразуются в импульсы электрического поля высокой напряженности и тока, которые воздействуют на электрообрабатываемый продукт. Устройство обеспечивает высокую эффективность электрообработки и высокую производительность при требуемой степени электрообработки продуктов. 1 ил.

Устройство для электрообработки жидких и текучих продуктов, которое содержит генератор импульсов высокого напряжения и камеру, состоящую из корпуса, выполненного из изоляционного материала, двух выполненных из токопроводящего материала электродов - верхнего и нижнего, между которыми размещен электрообрабатываемый продукт и имеющих противостоящие друг другу части поверхностей, верхний электрод выполнен с отверстием для вывода из камеры электрообрабатываемого продукта, отличающееся тем, что введен промежуточный электрод из токопроводящего материала с, по крайней мере, одним сквозным отверстием в центральной его части, размещенный между верхним и нижним электродами, нижний электрод выполнен с, по крайней мере, одним отверстием для ввода в камеру электрообрабатываемого продукта в частях его поверхности, не противостоящих поверхности промежуточного электрода, верхний электрод выполнен с, по крайней мере, одним отверстием для вывода из камеры электрообрабатываемого продукта в частях его поверхности, не противостоящих поверхности промежуточного электрода, а внутренняя поверхность корпуса выполнена с обеспечением соприкосновения электрообрабатываемого продукта не только с частями поверхностей нижнего и верхнего электродов, противостоящими (частями поверхностей) частям поверхности промежуточного электрода, но и с другими частями их поверхностей.