СПОСОБ СТЕРИЛИЗАЦИИ ВОДЫ И ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ СРЕД Российский патент 2009 года по МПК A23L3/30 B01J19/10 

Изобретение относится к способам безреактивной стерилизации воды и жидких пищевых сред в виде водных истинных и коллоидных растворов, дисперсных систем с водной средой: эмульсий и суспензий, а также смесей этих субстанций. Стерилизация предлагаемым способом производится путем нагрева жидкости и одновременного воздействия на нее упругими колебаниями ультразвуковой частоты с амплитудой звукового давления, превышающей порог кавитации в воде. Изобретение предназначено для использования в перерабатывающей и пищевой промышленности. Применение способа возможно в химии, фармации и медицине.

Известны способы стерилизации воды и жидкостей, являющихся жидкими пищевыми средами, путем воздействия на них факторами, не приводящими к значимому смещению в них термодинамического равновесия и к изменению их температуры. Этими факторами воздействуют непосредственно на сами микроорганизмы или на независящие от температуры условия их существования. К ним относятся, например, оптическое излучение ультрафиолетового диапазона [RU 2058096, 1996], пониженное гидростатическое давление [RU 2030873, 1995], импульсное электрическое поле [1], а также механическое препятствие, которое задерживает микроорганизмы при микрофильтрации жидкостей [2]. Однако УФ облучение, обладая денатурирующим свойством в отношении биополимеров, может привести к нежелательным изменениям в белках, витаминах и жирах, например, сопровождающихся образованием свободных радикалов. Аналогичное действие может произвести и электрическое поле определенной напряженности. Удаление газовой фазы из жидкостей при вакуумировании оказывает бактериостатическое действие только на аэробные микроорганизмы. При микрофильтрации пищевых эмульсий или суспензий вместе с микробами может быть отфильтрована и содержащая питательные вещества дисперсная фаза. Поэтому перечисленные способы не являются универсальными в отношении либо обрабатываемых субстанций, либо вида микроорганизмов и в случае их применения технический результат изобретения не достигается.

Еще одним известным безреактивным и надтепловым [3] методом стерилизации жидкостей, в том числе использующихся при производстве продуктов питания, является распространение в них упругих колебаний ультразвукового диапазона [RU 2188797, 2002, RU 2254913, 2005, RU 2245624, 2005, RU 2279918, 2007]. Известно, что ультразвук обладает селективным действием на микроскопические живые формы, которое зависит от их геометрического размера и акустических параметров самого ультразвука [4, 5]. Поэтому для полной стерилизации пришлось бы подвергать жидкость воздействию ультразвуковых колебаний широкого диапазона частот и интенсивностей, что трудно осуществить технически, так как достаточно мощный излучатель ультразвука с управляемой частотой создать невозможно, поскольку он представляет собой резонансную систему [4], а использовать множество их - сложно и дорого. Таким образом, отдельно взятое воздействие ультразвуковых колебаний с конкретными акустическими параметрами, которое реализуют перечисленные способы, не является достаточным условием для достижения результата изобретения.

Известны способы стерилизации жидких пищевых субстанций путем надтеплового воздействия на них энергией переменных электромагнитных полей различных длин волн, за короткое время трансформирующейся в них в тепло, увеличивая температуру, которая, будучи мерой кинетической энергии молекул, и определяет их стерилизующий эффект. Это способы, где используется так называемая радиационная теплопередача. К ним относятся, например, облучение в ИК диапазоне оптического спектра или СВЧ нагрев [RU 2030888, 1995, RU 2045919, 1995, US 6165526, 1998]. Однако термические способы стерилизации технически проще и дешевле осуществляются путем нагрева обрабатываемых жидкостей за счет конвективного или кондуктивного теплообмена, а также их комбинаций. Стерилизация может производиться при температурах ниже температуры кипения воды (пастеризация), например [RU 2309601, 2007, RU 2312508, 2007, RU 2316971, 2008], вблизи нее (тиндализация), например [RU 1112602, 2000], или даже выше, например при +150°С, если она осуществляется в герметичном сосуде, способном выдерживать повышенное давление

[RU 2088123, 1997].

В отношении достижения технического результата изобретения все эти способы имеют общий недостаток, заключающийся в том, что в процессе их использования в результате термической денатурации утрачиваются ценные свойства пищевого сырья: натуральные вкус и запах, а также природное состояние витаминного комплекса [6]. Этого удается частично избежать, применяя последующее быстрое охлаждение, но для него требуются дополнительные немалые затраты энергии. Чтобы снизить термическое воздействие на пищевые биополимеры, не прибегая по окончании стерилизации к принудительному охлаждению, нагрев используют совместно с воздействием на жидкость акустическими колебаниями [RU 2275826, 2006, DE 3325195, 1985, EP 0587854, 1999, CA 2437783, 2002, RU 2125393, 1999]. Давно известно, что наиболее действенным бактерицидным фактором при ультразвуковом обеззараживании жидкостей является кавитация [4]. Известно также [7], что порог кавитации в жидкостях зависит от температуры, так как от нее зависит давление насыщенного пара, которое действует в кавитационных пузырьках против гидростатического давления. Поэтому в воде и водных средах амплитуду звукового давления, способную разрушить оболочки микробных тел, определяет давление насыщенного пара воды. Однако ни один из этих способов не содержит конкретных требований к интенсивности ультразвука или амплитуде звукового давления в зависимости от температуры обрабатываемых жидкостей и гидростатического давления в них.

Наиболее близко к заявленному способу область предмета изобретения характеризует известный способ обработки жидкостей в кавитационном реакторе, в том числе с целью стерилизации [RU 2254911, 2005], который принят за прототип. В соответствии с ним жидкость подвергают воздействию порождающего кавитацию ультразвука, контролируя нижний уровень амплитуды звукового давления по отношению к гидростатическому давлению в ней. Но этот уровень амплитуды звукового давления в прототипе также не зависит от температуры процесса. Это приводит к излишнему расходованию акустической энергии в случае, когда жидкость нагрета до температуры, при которой стерилизация частично может быть произведена термическим путем, что препятствует достижению технического результата изобретения при использовании прототипа.

Техническим результатом изобретения является возможность меньшего расходования акустической энергии при одновременном производстве ультразвуковой и термической стерилизации или наоборот снижения температуры последней, что также уменьшает затраты энергии. Достигается он за счет установления амплитуды звукового давления в зависимости от кавитационного порога в жидкости, который определяется выбранной температурой стерилизации.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Известно, что порог кавитации в химически чистой воде зависит от давления внутри зародышей кавитационных пузырьков, которое при разных температурах различается, главным образом, величиной парциального давления насыщенного пара [8]. Известно также, что кавитация невозможна, если температура воды равна температуре кипения при данном гидростатическом давлении. При этом в воде независимо от амплитуды действующего звукового давления постоянно образуются, увеличиваются в размерах и покидают воду парогазовые полости, то есть происходит процесс пузырькового кипения. Поэтому при тиндализации содержащих воду пищевых сред ультразвук использовать бесполезно. Известно также, что любые твердые и жидкие нерастворимые в воде включения, которые содержит большинство жидких пищевых сред, снижают порог кавитации [7], а разрушающее действие кавитации при неограниченном увеличении амплитуды звукового давления свыше определенного значения остается практически константой. Следовательно, необходимая для стерилизации амплитуда звукового давления должна соответствовать этому значению и являться функцией давления насыщенного пара воды при выбранной температуре процесса. Из микробиологии и биофизики ультразвука известно также следующее. Наивысшей активностью микроорганизмы обладают при +35…37°С. Понижение температуры ведет к бактериостазу, а при повышении - многие из них начинают гибнуть. Но в этом же диапазоне их оболочки истончаются и легко подвергаются механическому разрушению [RU 2207794, 2002]. Поэтому максимальную амплитуду давления ультразвук должен иметь при наибольшей плотности воды и устойчивости микробных оболочек к разрушению, то есть при +4°С. Основная часть молочнокислых бактерий, составляющих большую часть микрофлоры пищевых продуктов, и многие патогенные микроорганизмы относятся к бактериям рода Streptococcus. Известно [4, 5, 9], что кокковые бактерии максимально устойчивы к разрушающему действию ультразвука по сравнению с палочковыми, к которым относятся многие спорообразующие микроорганизмы-термофилы, наоборот, легко подвергаемые ультразвуковому бактериолизу. Энергия ультразвука, оказывающая при комнатной температуре в объеме неподвижной жидкости бактерицидный эффект в отношении молочнокислых бактерий, почти вдвое превышает энергию, которая нужна для бактериолиза кишечной палочки [5]. Установлено, что разрушающее действие кавитации определяется потенциальной составляющей энергии. При стерилизации жидкости, протекающей в виде турбулентного потока через реактор, не требуется разделение скоплений бактерий посредством кинетической энергии кавитации, как в

[5]. Поэтому соответствующий требованиям прототипа нижний уровень амплитуды звукового давления можно принять за необходимый и достаточный уровень ее при бактериолизе в отношении всех видов бактерий, но только при +4°С. Он при совместном использовании для стерилизации ультразвука и повышенной температуры может быть задан в виде функции пропорционального температуре давления насыщенного водяного пара ρ. Увеличение этого давления, являющегося парциальной составляющей давления парогазовой смеси в кавитационных пузырьках, уравновешиваемого гидростатическим давлением ρ_h, снижет порог кавитации. Поэтому в искомое выражение для амплитуды звукового давления, являющееся критерием подобия кавитационных процессов при разных температурах, должна входить их разность ρ_h-ρ.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что в известном способе стерилизации воды и водных истинных и коллоидных растворов, а также эмульсий и суспензий в кавитационном реакторе, характеризующемся тем, что на стерилизуемую жидкость воздействуют ультразвуком с заданным нижним уровнем амплитуды звукового давления, значение этого нижнего уровня определяют в зависимости от температуры жидкости как 4,4·(ρ_h-ρ), где ρ_h и ρ - гидростатическое давление в кавитационном реакторе и давление насыщенного водяного пара при этой температуре, соответственно.

Практическое сравнение изобретения с прототипом осуществлено на примере стерилизации при +60°С цельного коровьего молока, приблизительно пять часов спустя после дойки. Первоначальная бактериальная обсемененность молока МАФАнМ была высокой и составляла 1,5·10⁴ КОЕ/г. Минимальная амплитуда звукового давления стерилизации способом-прототипом в соответствии с его признаком при атмосферном давлении составляла 4,4 атм, а в соответствии с признаком изобретения 4,4·(1,0-0,2)=3,5 атм, где 0,2 атм - давление насыщенного пара воды при +60°С [10]. В качестве источника ультразвука использовался излучатель частотой 22 кГц, состоящий из электроакустического преобразователя и двух сменных акустических трансформаторов. Так как амплитуда развиваемого звукового давления при одной и той же мощности источника звука обратно пропорциональна площади фронта его волны [9], то их коэффициенты трансформации [11] соотносились как (3,5/4,4)². Образцы стерилизовались в химических стаканах в течение 10 с после достижения ими заданной температуры в термостатируемой водяной бане. Результаты в виде средних значений сведены в таблицу.

Из нее видно, что при достижении приблизительно равных с прототипом результатов стерилизации по всей серии опытов в случае совмещения ультразвукового бактериолиза с нагревом до температуры пастеризации, изобретение требует в полтора раза меньше акустической энергии, которая пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления [12]. При КПД электроакустической трансформации современных ультразвуковых аппаратов, составляющих в зависимости от используемого способа преобразования и вида охлаждения 50…80%, электрической энергии для производства ультразвука в подобном промышленном процессе потребовалось бы меньше в 2…3 раза. Произведенное сравнение изобретения с прототипом, наиболее полно характеризующим известный заявителю уровень техники в области его предмета, показывает, что отличительный признак изобретения является существенным по отношению к его техническому результату. А каких-либо известных решений, касающихся требований к амплитуде звукового давления при акустической стерилизации жидкостей, в зависимости от температуры производимой совместно с ней термической стерилизации, заявителем не выявлено. Предлагаемый способ может быть реализован в промышленности, например, посредством паровых пастеризаторов серии ОКЛ завода Экомаш (Ногинск, Россия). В качестве источника ультразвука можно использовать излучатель ультразвукового процессора UIP, фирмы Hielscher systems GwbH (Штутгарт, Германия), a в качестве устройства для ультразвуковой обработки потока жидкости - кавитационный реактор по [RU 2226428, 2004, RU 2228217, 2004] или [RU 2246347, 2005], в котором можно установить заданную амплитуду звукового давления путем подбора размеров акустического трансформатора. Можно использовать аппараты производства Hielscher systems GmbH в комплекте, устанавливая амплитуду звукового давления посредством управления мощностью ультразвуковых генераторов, зная акустические параметры стерилизуемой жидкости, площадь излучения ультразвука и КПД. Плотность акустической мощности (интенсивность) ультразвука равна квадрату амплитуды звукового давления, отнесенному к удвоенному удельному акустическому сопротивлению жидкости [12]. Например, у молока оно составляет приблизительно 1,5·10⁶ кг/м²с, поэтому если температура его стерилизации равна +45°С, то интенсивность в соответствии с признаком изобретения должна иметь допустимое нижнее значение, равное 4,4²·(1,0-0,09)²·101325²/(2·1,5-10⁶)=5,5·10⁴ Вт/м² или 5,5 Вт/см², где 101325 Н/м² - атмосферное давление. При температуре +55°С это значение будет равно 4,8 Вт/см², а при +75°С, соответственно, 2,6 Вт/см². В ходе процесса обработки стерилизуемую жидкости из емкости установки ОКЛ через кавитационный реактор запускают по замкнутому на эту же емкость циклу с помощью насоса. Вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления изобретения с помощью описанных в заявке и известных ранее средств и методов, а также о возможности достижения его технического результата.

ЛИТЕРАТУРА

1. Nieto M.M. et al. Production of extended-shelf life milk by processing pasteurized milk with electric fields // Food Eng. 1-2, 67, 2005, p.p.81-86.

2. Maubois J.-L. Membrane microfiltadon // Austral. J. Dairy Technol., 57, 2, 2002, p.p.92-96.

3. Рогов И.А., Шестаков С.Д. Надтепловое изменение термодинамического равновесия воды и водных растворов: Заблуждения и реальность // Хранение и переработка сельхозсырья.- 2004.- №4. - с.17-20. - №10. - с.9-13.

4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике.- М: ИИЛ, 1956.

5. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитапионной дезинтеграции. - М.: ЕВА-пресс, 2001. - 173 с.: ил.

6. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1974.

7. Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф., Кавитация. - М: Мир, 1974.

8. Физика и техника мощного ультразвука. Мощные ультразвуковые поля // под ред. Л.Д.Розенберга. - М: Наука, 1968.

9. Эльпинер И.Е. Биофизика ультразвука. - М.: ИФ-МЛ, 1973. - 384 с.: ил.

10. Краткий справочник по химии / под ред. О.Д.Куриленко. - Киев: Наукова думка, 1974.

11. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. - М.: Машгиз, 1959. - 331 с.: ил.

12. Горелик Г.С. Колебания и волны. - М.: Ф-МЛ. - 19598.

Предложенный способ стерилизации осуществляется в кавитационном реакторе, через который в ходе процесса нагретая до заданной температуры стерилизуемая жидкость циркулирует по замкнутому циклу. При этом жидкость подвергается воздействию ультразвука, амплитуду звукового давления которого устанавливают в зависимости от давления и температуры в реакторе, пользуясь значением давления насыщенного водяного пара при этой температуре. Способ позволяет расходовать акустическую энергию в меньших количествах, а также снизить температуру термической стерилизации. 1 табл.

Способ стерилизации воды и водных истинных и коллоидных растворов, а также эмульсий и суспензий в кавитационном реакторе, характеризующийся тем, что на стерилизуемую жидкость воздействуют ультразвуком, минимальная амплитуда звукового давления которого равна 4,4·(p_h,-p), где p_h - гидростатическое давление в кавитационном реакторе; p - упругость водяного пара, соответствующая температуре стерилизуемой жидкости.