СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТЕЙ И ЖИДКОТЕКУЧИХ ПРОДУКТОВ Российский патент 2011 года по МПК C02F1/48 

Изобретение относится к пищевой, фармацевтической, химической, энергетической, строительной и другим отраслям промышленности, где стоит задача обеззараживания, сохранения или улучшения исходных свойств и качества жидкостей и жидкотекучих продуктов, в частности к способам и устройствам обработки сельскохозяйственной продукции, различных вакцин и других медикаментов, а также питьевых и сточных вод и других жидкостей, и может быть применено, например, для обработки «живого» пива, вина, соков, безалкогольных и спиртных напитков и т.д. с помощью комбинированного воздействия магнитного поля, ударно-волнового, акустического и светового некогерентного излучения, включая ультрафиолетовое излучение, импульсами микросекундного диапазона длительностей.

Из описания изобретения к патенту СССР №676144, (опублик. в Бюл. №27 от 25.07.79 г.) известен способ тепловой обработки пищевых продуктов и устройство, реализующее данный способ. Способ заключается в том, что обрабатываемый продукт сначала подвергают поверхностному охлаждению, которое осуществляют теплоносителем, снижая постепенно его температуру от 90°С до 50°С. В качестве теплоносителя используют воду или воздух. Затем продукт нагревают, подвергая теплоноситель воздействию электромагнитного поля. Температура жидкости в зоне электромагнитного поля постепенно увеличивается по направлению движения продукта и достигает 132°С. В конце процесса нагрева электромагнитным полем получают, по существу, одинаковую температуру как наружных, так и внутренних слоев продукта.

Недостатками этого способа и устройства является то, что единственным физическим фактором, осуществляющим собственно обработку продукта, является высокая температура (температура стерилизации или пастеризации), достигаемая посредством нагрева, а само электромагнитное поле в качестве физического фактора, однонаправленного с высокой температурой и осуществляющего обработку продукта (например, частичную стерилизацию), не используется и не может быть использовано при данном характере воздействия. Вследствие этого ухудшается качество продуктов (происходит денатурация и коагуляция белков, уменьшается количество и активность витаминов и других веществ). При использовании этого способа энергозатраты растут пропорционально качеству обработки.

Известен другой способ обработки пива магнитным полем и устройство, его реализующее (Каданер Я.Д., Вадачкория В.З. Перспективы применения электрофизических воздействий в технологии пива и безалкогольных напитков. / Пищевая промышленность / Серия 22. - Пивоваренная и безалкогольная промышленность. - 1992. - Выпуск 3. - 28 с.). Способ предусматривает воздействие на поток «молодого» пива, перед его дображиванием, магнитным полем, напряженность которого выбирают в диапазоне 16-240 кА/м, распределенным по закону затухающей синусоиды, содержащей от 3 до 5 последовательных максимумов. При этом в процессе обработки с помощью устройства реверсирования направление потока пива многократно (от 20 до 50 раз) изменяется на 180 градусов. Обработанные таким способом жидкие материалы обладают повышенной коллоидной стойкостью, т.е. являются стабилизированными по сравнению с напитками и материалами, полученными традиционными способами. Недостатки данных способа и устройства - технические сложности многократного реверсирования направления потока жидкости, увеличение времени, а также повышение энергозатрат на реализацию процесса обработки пива.

Известен также способ и устройство обработки пива путем стабилизации его коллоидных систем за счет комбинированного воздействия на него электромагнитным полем, создаваемым индукционной катушкой, и импульсным электрическим полем, создаваемым разрядом конденсатора. (Великодный П.Л. Применение в пищевой промышленности импульсного магнитного поля для обработки воды и растворов // Автореф. дис. канд. техн. наук / Киев. Технологический институт пищевой промышленности. - К., 1968, 27 с.). При этом установлено, что наряду со стабилизацией коллоидных систем пива отмечается эффект холодной пастеризации напитка. Органолептические свойства продукта остаются достаточно высокими. Обработку пива ведут при комнатной температуре около 25°С. Указанные способ и устройство также обеспечивают уничтожение микроорганизмов путем их необратимой поляризации, чем и была достигнута холодная пастеризация или стерилизация пива.

Недостаток - недостаточная эффективность и низкая производительность обработки при реализации технологического процесса.

Анализ проблемы свидетельствуют также об интересе к применению мощных импульсных электрофизических воздействий для сохранения свойств слабоалкогольных продуктов. Электроимпульсная технология обработки позволяет производить обеззараживающую обработку жидкостей, жидкотекучих пищевых продуктов (вода, молоко, вина и виноматериалы, фруктовые и овощные соки и др.) и обеспечивает высокий уровень энергосбережения, высокую удельную производительность и высокую конкурентоспособность.

Электроимпульсная технология обработки жидкотекучих продуктов относится к так называемой «холодной» технологии пастеризации, сущность которой заключается в использовании высоковольтных электрических разрядов микросекундной длительности. Основными действующими факторами обработки являются температура и микросекундное импульсное электромагнитное поле с напряженностью более 25 кВ/см. Процесс обработки продукта проходит при температурах 45-60°С и весьма эффективно: ~ 99% микроорганизмов уничтожается, а все полезные для человека вещества и витамины остаются практически без изменений, следов электролиза в обрабатываемом продукте нет.

Потери витаминов, %:

В - 0-2;

В₆ - 0-1;

В₁₂ - 0-2;

С - 0-1.

По сравнению с тепловыми способами (пастеризация, высокотемпературная стерилизация и др.), способ электроимпульсной обработки характеризуется меньшими удельными энергозатратами, отсутствием необходимости нагрева до температуры пастеризации при одинаковой степени микробиологического обеззараживания, что достигается совместным действием электромагнитного поля и повышенной температурой (но значительно меньшей, чем при тепловой обработке). В отличие от способов обработки продуктов, использующих ионизирующее излучение или химические добавки (например, консерванты), отсутствует возможное отрицательное побочное воздействие на обрабатываемый продукт.

Удельные затраты энергии на обработку - (7-10) кВт×ч/м³ продукта (в зависимости от требуемой степени обработки и производительности теплообменника).

Лаборатория «Electronic Pasteurization and Sterilization Technologies» (EPAST) университета Strathclyde (Великобритания) проводила исследование воздействия высокоинтенсивных импульсных электрических полей на микроорганизмы «порчи» различных сортов вина и пива. (Wall К., Beveridge J.-R., Rowan N.J., MacGregor S.J. and Anderson J.G. Pulsed Electric Field Treatment of Spoilage Microorganisms in Beer and Wine // Proceedings of Electromed. - 2003, June 11-13. - San Antonio, Texas. [Paper A 52]. Beveridge J.R., Wall K., MacGregor S.J., Anderson J.G. and N.J.Rowan. Pulsed electric field inactivation of spoilage microorganisms in alcoholic beverages // Proceedings of the 13^th IEEE International Pulsed Power Conference.-1997, June 29 - Jule 2. - Baltimore, Maryland USA, P.1138-1143). Воздействию подвергались микроорганизмы Obesumbacterium proteus, Zygosacharomyces baillie и Lactobacillus brevis в культуре. Авторы утверждают, что выполненное ими исследование позволяет предложить нетепловую альтернативу обработке вина с целью сохранения его качества.

В изобретении (патент РФ №2085508, опубл. 27.07.97 г.) для обработки жидких пищевых продуктов предложено использовать электрические поля высокой напряженности и малой длительности (длительность импульса составляет менее 10^-7 с), а также совместное действие электрической и магнитной составляющих. Данный способ и устройство, осуществляющее его, выбраны в качестве прототипа. Предлагаемый в изобретении способ обработки и устройство для его реализации позволяют сохранить или улучшить исходные качества продуктов, в том числе органолептические свойства, при увеличении срока хранения и уменьшении удельных энергозатрат. Величины магнитной индукции B_max>0,03 Тл составляют доли процента или большую величину от значений индукции импульсного магнитного поля (ИМП) В_ин.обр., которые используются для инактивирующей обработки микроорганизмов (В_ин.обр.=5÷50 Тл) посредством только магнитного поля. Эти величины индукции магнитного поля B_max>0,03 Тл могут не оказывать самостоятельного инактивирующего действия на микроорганизмы, однако могут оказывать благотворное омагничивающее действие на молекулы обрабатываемой импульсами электромагнитного поля жидкости или жидкотекучего продукта, поскольку B_max>0,03 Тл значительно превосходит по величине индукцию магнитного поля Земли. Такое действие магнитной составляющей поля обрабатывающих электромагнитных импульсов приводит к улучшению исходных качеств обрабатываемых продуктов, жидкостей, резкому возрастанию их химической и биологической активности. Таким образом, одновременно эффективно используются для обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов обе составляющие сильного импульсного электромагнитного поля - электрическая с E_max>10⁷ В/м и магнитная. Обработку осуществляют при помощи устройства, содержащего систему полеобразования, состоящую, по крайней мере, из одной рабочей камеры, источник импульсов электромагнитного поля, систему измерения параметров обработки, систему подготовки обрабатываемых продуктов, подачи их в обрабатываемую систему полеобразования, систему разливки, упаковки и хранения обработанных продуктов, систему управления и контроля. Источник может представлять собой низкоиндуктивный генератор высоковольтных электромагнитных импульсов на базе емкостных накопителей или высоковольтный генератор ВЧ-излучения или СВЧ.

Недостаток - технические сложности реализации способа, небольшой ресурс элементов установки.

Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение срока хранения обрабатываемого продукта и ресурса работы устройства.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе электроимпульсной обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов, кроме воздействия на обрабатываемые продукты ИМП с регулируемой частотой следования импульсов, дополнительно осуществляют воздействие ударно-волновым, акустическим и некогерентным световым излучением, в том числе ультрафиолетовым, формируемым за счет открытого скользящего разряда в атмосфере, при этом воздействие магнитным полем осуществляют импульсами микросекундного диапазона длительности в диапазонах изменения напряженности магнитного поля в жидкости (0,25-1,0)·10⁶ А/м, а скользящие разряды инициируют высоковольтными импульсами напряжения со скоростью нарастания 10¹² В/с.

Воздействие может быть осуществлено импульсным магнитным полем микросекундного диапазона длительности.

А в устройстве указанный технический результат достигается за счет того, что кроме общих с прототипом признаков, а именно: рабочей камеры для размещения обрабатываемого продукта, продуктопровода из диамагнитного материала, системы формирования электромагнитного излучения, генератора импульсов на основе емкостного накопителя энергии, содержит отличительные, а именно: система формирования электромагнитного излучения выполнена в виде катушки соленоида, охватывающей продуктопровод, рабочая камера оснащена электродной системой формирования скользящего разряда, которая выполнена на основе многоканальных искровых разрядников с кабельными инициаторами и образует автономную цепь разряда емкостного накопителя на катушки соленоидов ИМП, при этом система расположена в одной плоскости над обрабатываемой жидкостью на расстоянии 0,5 - 1 см от ее поверхности.

Рабочая камера может быть снабжена закрывающейся крышкой, снабженной контактами блокировки, обеспечивающими снятие высокого напряжения при несанкционированном доступе в рабочую камеру.

Результирующий инактивационный эффект микроорганизмов по данной заявке достигается за счет комплексного воздействия всех указанных выше излучений на наиболее уязвимое звено, которым может быть система управления клеткой. При этом достигается увеличение степени обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов, сохраняются или улучшаются исходные качества продуктов, уменьшаются удельные энергозатраты при требуемой степени обработки, увеличиваются сроки хранения продуктов.

Использование скользящего разряда обеспечивает однородное воздействие генерируемых факторов на обрабатываемую поверхность, при этом удельная плотность энергии, выделяемая на электродах, распределена равномерно, что увеличивает срок службы устройства.

Воздействие на обрабатываемую поверхность импульсами микросекундного диапазона длительности позволяет упростить конструкцию генератора.

Выбор диапазона изменения напряженности магнитного поля в жидкости (0,25-1,0)×10⁶ А/м обусловлен экспериментальной отработкой, которая показала максимальную эффективность обработки именно в указанном диапазоне, к тому же ресурс работы системы с такими параметрами достаточен для существующих подобных устройств.

Скользящие разряды инициируют высоковольтными импульсами напряжения со скоростью нарастания 10¹² В/с, что позволяет обеспечить равномерную плотность облучения и снизить эрозионную нагрузку на электроды.

Применение катушки соленоида, охватывающей продуктопровод, локализует область формирования рабочего поля, что увеличивает производительность обработки и позволяет проводить магнитно-импульсную обработку, используя производственное оборудование.

В предлагаемом изобретении импульсы магнитного поля, в котором ведется обработка жидкостей и жидкотекучих продуктов, могут быть одиночными или следовать с определенной частотой повторения, которая может лежать в пределах от 0,01 Гц (при меньшей частоте следования импульсы считаются одиночными) до 1 Гц и более. Форма импульсов магнитного поля, которыми ведут обработку жидкостей и жидкотекучих продуктов, может быть различной, в том числе апериодической.

Наличие в цепях разряда С₀ на катушки индуктивности последовательно включенных многоканальных искровых атмосферных разрядников способствует формированию электрического разряда с апериодической формой тока в каждой параллельной ветви. Такой режим разряда в цепи конденсатора благоприятствует использованию для указанных нужд импульсных конденсаторов высокой энергоемкости, допускающих работу в частотном режиме (1 Гц и выше) при допустимом перезаряде не выше 10%. Обладая относительно высоким активным сопротивлением, разрядники обеспечивают апериодический характер разряда в каждой ветви при условии:

,

где L - индуктивность катушки каждого соленоида;

С₀ - емкость накопительного конденсатора;

R_F - активное сопротивление каждого из разрядников.

Проведенные нами многочисленные эксперименты показали эффективность применения магнитных импульсов с длительностью времени нарастания от 50 до 100 мкс, напряженностью магнитного поля (0,25-1)×10⁶ А/м, в частности для обработки «живого» пива и нерафинированного масла. Достигнутые сроки хранения продукта, обработанного по способу, соответствующему предложенному в данном изобретении, превышают 10 дней при комнатной температуре.

Выбор расстояния от многоканального источника излучения до продукта связан с эффективностью передачи воздействующих факторов в обрабатываемую среду.

На фиг.1 представлено устройство для осуществления способа в схематическом виде.

На фиг.2 - вариант выполнения системы формирования скользящего разряда (вид снизу сечение А-А, фиг.1).

На фиг.3 - вариант выполнения электрической схемы формирования скользящего разряда и электромагнитного импульса.

Осуществление способа производится при помощи устройства, содержащего источник высокого зарядного напряжения (ИП), накопительный конденсатор С₀, катушки соленоидов L1-L4 для формирования ИМП в объеме жидкости, протекающей по продуктопроводу, рабочей камеры - облучателя слоя жидкости ударно-волновым, импульсным акустическим и некогерентным световым излучением, включая УФ-излучение, генератор формирования инициирующих высоковольтных импульсов (ГВИ) для запуска многоискровых атмосферных разрядников. Генератор может представлять собой низкоиндуктивный генератор высоковольтных импульсов с временами нарастания 10¹¹-10¹² В/с.

Устройство электроимпульсной обработки жидкости (фиг.1, 2 и 3) иллюстрирует прежде всего вариант обработки комплексным действием факторов: ИМП, ударно-волновых (УВ), акустических (АИ) и некогерентных световых импульсов (НСИ), включая ультрафиолетовое (УФ) излучение. Объем обрабатываемой жидкости, соответствующий заданной производительности, определяет частоту следования импульсов устройства и энерговклад, обеспечивающие заданную эффективность обработки продукта. Рабочая камера системы формирования скользящего разряда содержит корпус 1, крышку 2 с закрепленными на ней разрядниками-коммутаторами 3, (F1-F4, фиг.3), трубопроводы для подвода 4 и отвода 5 обрабатываемой жидкости. Стрелками указано направление протекания через систему полеобразования обрабатываемой жидкости (продукта).

Способ реализуется следующим образом:

Обрабатываемый продукт, протекающий по продуктопроводу 4 в направлении, указанном стрелкой, поступает в зону воздействия ИМП, формируемого катушками соленоидов L1-L4. Катушки охватывают продуктопровод, изготовленный из диамагнитного материала, например нержавеющей стали, не препятствующего проникновению ИМП внутрь трубопровода и его взаимодействию с движущимся продуктом. Скорость движения продукта в трубопроводе, протяженность зоны воздействия и частота следования импульсов взаимосогласованы таким образом, чтобы в процессе обработки продукт получил дозу воздействия ИМП, необходимую для получения искомого результата.

Далее продукт поступает в рабочую камеру 1, где подвергается воздействию мощных импульсных УВ, АИ и НСИ, генерируемых над поверхностью обрабатываемой жидкости на расстоянии 0,5-1 см с частотой формирования ИМП. Разрез камеры и вид на систему формирования скользящего разряда (вид снизу) показан на фиг.2.

Электрическая схема формирования ИМП, УВ, АИ и НСИ излучений показана на фиг.3. Электрическая энергия накапливается в конденсаторе С₀ в процессе его зарядки от высоковольтного источника питания. Разряд конденсатора производится параллельно на четыре катушки соленоидов L1-L4 при одновременном (синхронном) включении разрядников-коммутаторов F1-F4, выполненных на основе атмосферных разрядников с кабельными инициаторами на скользящем разряде. Количество используемых соленоидов зависит от производительности технологии обработки и может меняться. Многоканальный разрядник-коммутатор 3 имеет один общий (заземленный) электрод 6 и раздельные для каждой катушки изолированные электроды 7. При включении разрядников-коммутаторов образуются параллельные цепи разряда общего накопителя С₀ на катушки соленоидов с последовательно включенными разрядниками.

Наличие в каждой из параллельных ветвей цепи разряда С₀ последовательно соединенных с разрядниками-коммутаторами F1-F4 катушек индуктивности L1-L4 (обеспечивающих электрическую развязку цепей) способствует надежному включению разрядников. Для этих же целей используются конденсаторы С1-С4, включенные между точками соединения индуктивностей и коммутаторов соответствующих ветвей и общим электродом коммутатора. Конденсаторы обеспечивают надежное включение разрядников, подпитывая канал разряда в начальной стадии процесса инициирования, исключая влияние индуктивностей соленоидов на скорость нарастания тока в инициируемом канале.

При протекании тока в каждом протяженном канале разрядника-коммутатора в открытое пространство излучаются мощные импульсы НСИ и УФ, воздействующие на обрабатываемую жидкость. Формирование высокотемпературного плазменного канала в воздушной среде сопровождается мощными УВ и АИ, оказывающими активирующее воздействие на обрабатываемую среду и интенсифицирующими протекание реакций.

Выполнение способа в соответствии с изобретением позволяет запустить ряд новых механизмов воздействия на жидкости и микроорганизмы, в них находящиеся, а именно позволяет резко активировать молекулы жидкости, нарушить некоторые химические связи органических соединений, воздействовать непосредственно на систему управления живой клеткой, изменить кинетику биохимических реакций и достичь увеличения степени обработки продуктов, сохранения или улучшения исходных качеств продуктов, уменьшения удельных энергозатрат при требуемой степени обработки, увеличения сроков хранения продуктов.

Настоящее изобретение может быть использовано не только для обработки жидкостей, жидкотекучих продуктов, являющихся микробиологическими питательными средами, но и для обработки практически любых других жидкостей, в частности жидкотекучих пищевых продуктов, природных и сточных вод, вакцин, сывороток и других. Предлагаемый в изобретении способ обработки позволяет сохранить или улучшить исходные качества продуктов, в том числе органолептические свойства, при увеличении срока хранения и уменьшении удельных энергозатрат, поскольку при данном способе обработки запускаются более эффективные механизмы обработки. Данный способ является экологически чистым. Предлагаемый способ относится к энерго- и ресурсосберегающим технологиям, может найти применение у потребителей в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в медицине, фармакологии.

Установки апробированы при проведении лабораторных экспериментов по осветлению и продлению сроков хранения «живого» пива и нерафинированного растительного масла.

Предложенная группа изобретений относится к пищевой промышленности. Способ включает комбинированное воздействие на продукты импульсным магнитным полем с регулируемой частотой следования импульсов, ударно-волновым, акустическим и некогерентным световым излучением, а именно ультрафиолетовым излучением. Амплитуда напряженности магнитного поля в жидкости составляет (0,25-1,0)·10⁶ А/м. Устройство содержит трубопровод из диамагнитного материала с надетыми на него катушками соленоидов, рабочую камеру, снабженную электродной системой формирования излучений, выполненной на основе многоканальных искровых разрядников-коммутаторов на основе кабельных инициаторов, образующих автономные цепи разряда емкостного накопителя на катушки соленоидов. При этом система формирования излучений расположена над обрабатываемой жидкостью на расстоянии 0,5-1,0 см от ее поверхности. Представленная группа изобретений позволяет увеличить срок хранения продуктов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ электроимпульсной обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов, включающий воздействие на продукты импульсным магнитным полем с регулируемой частотой следования импульсов, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют воздействие на обрабатываемые продукты ударно-волновым, акустическим и некогерентным световым излучением, а именно ультрафиолетовым, формируемым за счет открытого скользящего разряда в атмосфере, при этом воздействие магнитным полем осуществляют импульсами в диапазонах изменения напряженности магнитного поля в жидкости (0,25-1,0)·10⁶ А/м, а скользящие разряды инициируют высоковольтными импульсами напряжения со скоростью нарастания 10¹² В/с.

2. Способ электроимпульсной обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов по п.1, отличающийся тем, что воздействие магнитным полем осуществляют импульсами микросекундного диапазона длительности.

3. Устройство для электроимпульсной обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов, содержащее рабочую камеру для размещения обрабатываемого продукта, соединенную с продуктопроводом из диамагнитного материала, систему формирования электромагнитного излучения, генератор импульсов на основе емкостного накопителя энергии, отличающееся тем, что система формирования электромагнитного излучения выполнена в виде катушек соленоидов, охватывающих продуктопровод, рабочая камера оснащена электродной системой формирования скользящего разряда, которая выполнена на основе многоканальных искровых разрядников с кабельными инициаторами и образует автономные цепи разряда емкостного накопителя на катушки соленоидов импульсного магнитного поля, при этом система расположена в одной плоскости над обрабатываемой жидкостью на расстоянии 0,5-1 см от ее поверхности.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что рабочая камера снабжена закрывающейся крышкой, снабженной контактами блокировки, обеспечивающими снятие высокого напряжения при несанкционированном доступе в рабочую камеру.