УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2005 года по МПК B01F11/02 

Изобретение относится к пищевой промышленности и может найти применение в винодельческой, пивоваренной, ликероводочной, микробиологической промышленности для получения пищевой добавки при приготовлении напитков брожения, детского и диетического питания и кормов.

Известно ультразвуковое устройство для диспергирования материалов и получения пищевых добавок, в котором три ультразвуковых преобразователя равномерно разнесены вокруг цилиндрического реактора и закреплены в стальных втулках, приваренных к наружной стенке реактора. Ультразвук передается через буферную жидкость, в частности оливковое масло, и стенку к жидкости, находящейся в реакторе. Интенсивность ультразвука достаточна для возникновения кавитации и, следовательно, протекания процесса диспергирования. Патент Великобритании №22433092, МПК: В 01 J 11/10, 1991 г.

Известен диспергатор, содержащий ультразвуковой источник колебаний, смесительную камеру с подводящим и отводящим патрубками, насадкой с цилиндроконическими отверстиями. На выходе из насадки формируется турбулентное вращательное движение потоков с кавитационными пузырьками. Патент России №1599075, МПК: В 01 J 11/10, 1988 г.

К недостаткам известных изобретений следует отнести то, что они не обеспечивают возможность получения микрокапель, однородных по размеру.

Известно устройство для диспергирования, содержащее реактор с ультразвуковыми излучающими системами, работающими синхронно, и генератор. Реактор состоит из двух камер - верхней и нижней с обратным клапаном на нагнетательном патрубке, каждая из камер снабжена ультразвуковой пьезоэлектрической колебательной системой. Между камерами установлен трековый фильтр, заключенный в крупноячеистую сетку из нержавеющей стали. Патент Российской Федерации №2096074, МПК: В 01 J 11/02, 1997 г. Прототип.

Недостатком прототипа является низкий уровень диспергирования и гомогенизации суспензий, так как конструктивные элементы устройства не обеспечивают создание гидродинамических процессов в обрабатываемой среде, в том числе обширной зоны кавитации.

Задачей данного изобретения является интенсификация процесса лизиса дрожжевых культур, повышение дисперсности и гомогенизации суспензий, создание обширной зоны кавитации, повышение биологической ценности лизатов.

Технический результат достигается тем, что в ультразвуковом устройстве, содержащем ультразвуковые излучатели и камеру из нержавеющей стали, имеющей нагнетательный патрубок с обратным клапаном, соединенный с люком для загрузки материала и сливным патрубком, камера выполнена с возможностью герметизации и через натекатель соединена с системой подачи азота, ультразвуковые излучатели равномерно расположены на стенке камеры, на входе сливного патрубка установлен фильтр с возможностью поперечного перемещения, а на выходе этого патрубка - запорный механизм, к нагнетательному патрубку подсоединен компрессор. Ультразвуковые излучатели установлены на верхней стенке камеры. Ультразвуковые излучатели установлены на боковой поверхности камеры на расстоянии, не превышающем четверть высоты камеры. Ультразвуковые излучатели установлены на нижней донной стенке камеры.

Сущность изобретения схематично поясняется на чертеже, где: 1 - рабочая камера, выполненная из нержавеющей стали, 2 - преобразователи акустических колебаний (пьезоэлектрические и/или магнитострикционные), 3 - нагнетательный патрубок, 4 - обратный клапан, 5 - люк загрузки рабочей жидкости, 6 - сливной патрубок, 7 - натекатель, 8 - система подачи газа, инертного по отношению к рабочей смеси, 9 - подвижный фильтр, 10 - запорный механизм, 11 - компрессор 12 - резервуар с рабочей жидкостью (дрожжевой культурой).

Установка работает следующим образом. Для получения рабочей жидкости, а именно дрожжевой суспензии, берут жидкую разводку чистой культуры дрожжей или проводят регидратацию препарата сухих дрожжей, при этом концентрация дрожжевых клеток регулируется количеством добавляемой воды в смеси с виноматериалом или виноградным суслом. Важным фактором рабочего материала является его текучесть и жидкостная составляющая, без которой не возможно применение ультразвука. Границей концентрации дрожжевых клеток в рабочей жидкости является 10¹⁰ клеток/см³. Дальнейшее увеличение количества клеток дрожжевых культур приводит к тестообразной массе, гасящей распространение ультразвука по объему.

Рабочая жидкость (дрожжевая суспензия) из резервуара 12 по нагнетательному патрубку 3 подается под давлением, создаваемым компрессором 11 в рабочую камеру 1 в атмосферу газа, нейтрального по отношению к рабочей среде, например азота.

Для создания азотной атмосферы в рабочей камере 1 сначала очищают объем рабочей камеры от воздуха. Наличие кислородной составляющей в рабочей камере 1 приводит к образованию вредных соединений азота, таких как азотная и азотистая кислоты, диоксид азота и другие. Эти соединения снижают биологическую активность и пищевую ценность лизатов.

Удаление воздуха можно вести различными путями: просто подачей азота от системы 8 через натекатель до полного вытеснения воздуха или вакуумированием рабочей камеры 1 и последующим ее заполнением азотом через натекатель 7.

В процессе заполнения рабочей камеры 1 дрожжевой культурой азот сжимается, т.к. обратный клапан 4, установленный над люком загрузки 5, натекатель 7 и запорный механизм 10 не позволяют ни рабочей жидкости, ни азоту покинуть рабочую камеру 1. Сжатие газа в замкнутом объеме приводит к предварительному его нагреванию. Затем включают ультразвуковой генератор, преобразователи акустических колебаний 2 которого возбуждают ультразвуковое поле с частотой от 50 кГц и интенсивностью не ниже 45 Вт/см². В результате такого воздействия акустическим полем в течение 15-20 минут происходит дополнительный нагрев азота и нагрев дрожжевой культуры до 65-70°С, возникает обширный эффект кавитации, приводящий к стремительному лизису дрожжевой культуры. Развитие кавитации обусловлено повышенной растворимостью газа в жидкости при высоком давлении и повышением температуры. Турбулентный поток кавитационных разогретых пузырьков приводит к высокой гомогенности и дисперсности дрожжевой культуры. Указанный режим позволяет регулировать деструкция дрожжевых клеток от частичного изменения проницаемости мембран клетки до полного разрушения клеточных структур.

Спустя 15-20 минут после включения генератора ультразвука полученную продукцию транспортируют по сливному патрубку 6 под действием повышенного давления через подвижный фильтр 9 к выходу.

При заданных параметрах проведение лизиса осуществляется в режиме, при котором внутриклеточный пул биологически активных соединений не претерпевает значительных изменений, что позволяет регулировать выход нужных соединений. В результате действия акустического поля и повышенного давления организуется обширная зона кавитационных пузырьков по всему объему, что приводит к увеличению проницаемости клеточных мембран, изменению структуры внутриклеточных органелл и интенсифицирует выход из дрожжевой клетки ферментов и других биологически активных веществ. При контакте внутриклеточных соединений с веществами, содержащимися в вине или пиве, возникает индуцированный синтез ферментных систем дрожжей на внутриклеточных структурах. Увеличение активности ферментов дрожжей под действием субстратов вина, а также интенсификация биохимических превращений соединений вина под действием внутриклеточных компонентов дрожжей с образованием продуктов, характерных для выдержанных вин.

Для приготовления вин фильтром 9 можно не пользоваться, т.к. процесс приготовления вин содержит и фильтрацию.

Изобретение относится к пищевой промышленности и может найти применение в винодельческой, пивоваренной, ликероводочной, микробиологической промышленности для получения пищевой добавки при приготовлении напитков брожения, детского и диетического питания и кормов. Устройство содержит камеру из нержавеющей стали и ультразвуковые излучатели. Камера выполнена с возможностью герметизации и через натекатель соединена с системой подачи газа. Излучатели равномерно расположены на стенках камеры. На входе сливного патрубка установлен фильтр с возможностью поперечного перемещения, а на выходе этого патрубка - запорный механизм. К нагнетательному патрубку подсоединен компрессор. Излучатели могут быть установлены и на крышке камеры и на боковой поверхности. Технический результат состоит в интенсификации процесса лизиса дрожжевых культур, повышении дисперсности и гомогенизации суспензий, создании обширной зоны кавитации, повышении биологической ценности лизатов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ультразвуковое устройство, содержащее ультразвуковые излучатели и камеру из нержавеющей стали, имеющую нагнетательный патрубок с обратным клапаном, соединенный с люком загрузки материала, и сливной патрубок, отличающееся тем, что камера выполнена с возможностью герметизации и через натекатель соединена с системой подачи газа, нейтрального по отношению к дрожжевым культурам, ультразвуковые излучатели равномерно расположены на поверхностях стенок камеры, на входе сливного патрубка установлен фильтр с возможностью поперечного перемещения, а на выходе - запорный механизм, к нагнетательному патрубку подсоединен компрессор.2. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что ультразвуковые излучатели установлены на верхней стенке камеры.3. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что ультразвуковые излучатели установлены на боковой поверхности камеры на расстоянии, превышающем четверть высоты камеры.4. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что ультразвуковые излучатели установлены на нижней стенке камеры.