СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ПРОДУКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК A23B9/06 B82B3/00 

Изобретение относится к технологии обеззараживания и стерилизации сыпучих и твердых продуктов и может быть использовано для обеззараживания продукции сельского хозяйства (зерна, муки, семян, овощей, фруктов, кормовых смесей) при хранении, сушке, предпосевной обработке, а также в пищевой промышленности, фармакологии и др.

Обычно заражение сыпучих и пищевых продуктов питания происходит путем попадания в них бактерий, спор, вирусов, другой патогенной микрофлоры, что приводит к их уничтожению и делает неприемлемым их хранение, сушку, предпосевную обработку, а также употребление в пищу.

Известны радиационные методы обеззараживания и стерилизации, использующие ионизирующее излучение (рентгеновские, гамма-излучение), которое не решает данную проблему дезинфекции сыпучих продуктов, т.к. не могут быть применены к пищевым продуктам и лекарственным средствам из-за возникновения побочных явлений. Известен способ обработки сельскохозяйственных продуктов, предусматривающий загрузку в камеру сырьевого материала, перемещение его в камере в лотках, создание вакуума и обеспечение комплексного прогрева материала за счет воздействия источников ультразвукового, инфракрасного излучения и СВЧ излучения, конденсацию паров летучих компонентов (RU 2242906 C2, МПК A23L 3/40 опубл. 27.12.2004 г.). Недостатками способа являются недостаточная эффективность обеззараживания материала, технологическая сложность процесса, использование высокого нагрева обрабатываемого материала инфракрасным и СВЧ излучением, а также необходимость утилизации продуктов летучих компонентов.

Известен способ стерилизации сушеных пищевых продуктов, предусматривающий нагревание продукта после его сушки или после его хранения СВЧ излучением при температуре 90-120°C в течение 10-30 минут. Недостатками способа являются недостаточная эффективность обеззараживания материала, сложность технологического процесса, применение высокого нагрева обрабатываемого материала СВЧ излучением (RU 2294124 C2, МПК A23L 3\01 опубл. 27.02.2007 г.).

Наиболее близким аналогом способа, принятым в качестве прототипа, является способ обработки сыпучих продуктов облучением, предусматривающим воздействие на обрабатываемый продукт ультрафиолетовым излучением в процессе его перемещения с изменением ориентации отдельных его частиц относительно источника излучения (RU 2279806 C2, МПК A23B 9\06 опубл. 20.07.2006 г.).

Недостатком способа-прототипа является недостаточная эффективность процесса обеззараживания.

Известно устройство для обработки сельскохозяйственных продуктов, содержащее камеру сырьевого материала, перемещаемые в ней лотки для сырьевого материала, устройство для создания вакуума, источники ультразвукового, инфракрасного излучения и СВЧ излучения (RU 2242906 C2, МПК A23L 3\40 опубл. 27.12.2004 г.).

Недостатком устройства является невозможность универсального применения его для обработки твердых и сыпучих продуктов, а также использование высокотемпературного нагрева.

Наиболее близким к предлагаемому устройству для осуществления способа, принятому за прототип, является устройство для обработки сыпучих продуктов облучением, содержащее узел загрузки, источник ультрафиолетового излучения, средство транспортировки обрабатываемого продукта, выполненное с возможностью изменения ориентации отдельных частиц сыпучего продукта относительно источника ультрафиолетового излучения, и узел выгрузки (RU 2279806 C2, МПК A23B 9\06 опубл. 20.07.2006 г.).

Недостатком способа и устройства, принятого за прототип, является недостаточная эффективность обеззараживания продукции, невозможность его использования для обеззараживания твердых продуктов. Ультрафиолетовое излучение не обладает достаточной мощностью, способной к ликвидации микроорганизмов, патогенной флоры (палочковых бактерий, бактерий, вызывающих сальмонеллез, личинок гельминтов и др.).

Задачей предлагаемой группы изобретений является обеспечение эффективности обеззараживания твердых и сыпучих продуктов, расширение функциональных возможностей.

Технический результат применения способа достигается за счет того, что в способе обеззараживания продуктов, предусматривающем воздействие на обрабатываемый продукт излучением в процессе перемещения продукта с изменением его ориентации относительно источника излучения, в отличие от прототипа сыпучий продукт облучают холодным плазменным излучением напряжением 3 кВ, частотой 10 Гц с расходом газа 0,6 л/мин.

Кроме того, технический результат применения способа достигается за счет того, что для обеззараживания твердого продукта его дополнительно облучают лазерным излучением с длиной волны 1064 нм, частотой 1-30 кГц, длительностью импульса 10 нс.

Если обеззараживание сухого продукта производят холодным плазменным излучением на режимах: при напряжении <3 кВ, частоте <10 Гц, расходе газа <0,6 л/мин, то оно происходит недостаточно эффективно: на продуктах остаются палочковые бактерии, бактерии, вызывающие сальмонеллез, личинки гельминтов, что приводит к заболеваниям при употреблении продуктов. Если производят обеззараживание продуктов с превышением вышеуказанных режимов холодного плазменного облучения, то происходит изменение биохимических свойств обрабатываемого продукта.

При обеззараживании твердого продукта воздействие одним холодным плазменным излучением не эффективно, на продуктах остаются палочковые бактерии, бактерии, вызывающие сальмонеллез, личинки гельминтов. Для повышения эффективности процесса обеззараживания применяют дополнительное лазерное излучение на следующих режимах: длина волны - 1064 нм, частота - (1-30) кГц, длительность импульса - 10 нс. Данные режимы также являются оптимальными для удаления микроорганизмов, патогенной микрофлоры, сохранности биохимических и потребительских свойств продукта.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления обеспечивают сохранение питательных свойств обеззараживаемых продуктов, так как при обработке продуктов используются холодные методы: холодное плазменное излучение, лазерное излучение. Плазменные генераторы и генерируемое ими холодное, низкотемпературное плазменное излучение используется в медицинской практике для остановки сильных кровотечений, обработке ран, обработке полости рта в стоматологии и др.

Для генерации холодного плазменного излучения используются плазмотроны, состоящие из кварцевой трубки, у конца которой на внешней стороне закреплен заземленный металлический электрод. В трубке коаксиально установлен заостренный металлический электрод, соединенный с высокочастотным источником переменного тока. В качестве плазмообразующего газа используется предварительно охлажденный гелий. При подаче напряжения на внутренний электрод на его острие зажигается разряд диаметром 1-5 мм длиной 16-20 мм. Обычно температура холодного плазменного излучения составляет 37-43°C. Биохимическое воздействие на обрабатываемый материал осуществляется за счет воздействия содержащихся в холодной плазме веществ, в частности NO. Однако холодное плазменное излучение для обеззараживания сыпучих, твердых и пищевых продуктов не применялось.

В настоящее время широкое распространение получили газоразрядные CO₂-лазеры с диффузным или конвективным охлаждением газовой смеси, а также лазеры с оптической накачкой на твердых кристаллах, диодные и волоконные. Обычно лазеры состоят из активного элемента для обеспечения процесса генерации излучения, источника электропитания активного элемента, системы охлаждения, оптического резонатора с устройством для вывода излучения, системы передачи и фокусировки излучения. Накачка газоразрядного CO₂-лазера осуществляется при столкновении молекул CO₂ с электронами и молекулами N₂. В настоящее время промышленностью производятся лазеры типа: Катунь (мощностью 0,8-1,0 кВт), Карат (мощностью 1,0-2,0 кВт), ТЛ-700 (мощностью 700 Вт). Известно применение лазера в связи, химии, машиностроении, в медицине. В медицине лазерное излучение используется в офтальмологии, в хирургии. При использовании в хирургии, попадая на биологическую ткань, когерентное лазерное излучение вызывает усиление образования активных форм кислорода, за счет этого происходит антимикробное и противовирусное его воздействие. Однако для обеззараживания твердых, сыпучих и пищевых продуктов лазерное излучение не применялось.

Технический результат применения устройства для осуществления способа по п.1 достигается за счет того, что оно содержит узел загрузки, источник излучения, транспортер или полый барабан с приводом, выполненные с возможностью изменения ориентации продукта относительно источника излучения, и узел выгрузки, в отличие от прототипа в качестве источника излучения применена система плазмотронов, которые размещены параллельными рядами на раме и установлены после узла загрузки над транспортером или внутри барабана.

Технический результат применения устройства для осуществления способа по п.2 достигается за счет того, что оно содержит узел загрузки, источники излучения, транспортер и узел выгрузки, в отличие от прототипа источники излучения выполнены в виде источников холодного плазменного и лазерного излучения, расположены друг за другом вдоль транспортера, причем в качестве источника холодного плазменного излучения использованы по меньшей мере четыре плазмотрона, три из которых закреплены на верхней и двух боковых сторонах прямоугольной рамы, которая расположена перпендикулярно транспортеру, четвертый плазмотрон закреплен на верхней стороне второй прямоугольной рамы над транспортером, в качестве источника лазерного излучения применены не менее шести лазеров, два из которых установлены последовательно с двумя оптико-механическими системами, расположены над транспортером, параллельно последнему, две пары оставшихся лазеров установлены напротив друг друга перпендикулярно транспортеру, для изменения ориентации продукта над транспортером закреплены не менее трех манипуляторов, расположенных между источниками плазменного и лазерного излучений.

Пример. Обеззараживание зернофуража производится плазмотронами на устройстве с полым барабаном. Барабан имеет размеры: диаметр - 1 м, длина - 3 м, угловая скорость вращения - 2 об/с. Облучение зернофуража проводится на режимах: напряжение - 3 кВ, частота плазменного излучения - 10 Гц, расход газа - 0,6 л/мин. При облучении зерна крупной фракции эффективность обеззараживания от стафилококка составляет 98,9%.

На фиг.1 изображена схема устройства для осуществления способа по п.1 обеззараживания сыпучего продукта с вибрационным транспортером в качестве средства для транспортировки сыпучего материала.

На фиг.2 - схема устройства для осуществления способа по п.1 обеззараживания сыпучего продукта с вращающимся барабаном в качестве средства для транспортировки сыпучего материала.

На фиг.3 - схема устройства для осуществления способа по п.2 обеззараживания твердого продукта с ленточным транспортером в качестве средства для транспортировки твердых продуктов.

Устройство (фиг.1) содержит узел загрузки 1 в виде бункера дозатора, узел выгрузки 2, транспортер 3 с вибратором 4, лотком 5 и амортизаторами 6, в качестве источника излучения установлены закрепленные на раме 8 плазмотроны 7, расположенные параллельными рядами по четыре плазмотрона в семи параллельных рядах. Рама с плазмотронами установлена после узла загрузки над транспортером.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

Исходный сыпучий продукт из узла загрузки 1 в виде бункера поступает в лоток 5 вибрационного транспортера 3. Включается привод (не показан) вибратора 4 и лоток 5 начинает испытывать возвратно-поступательные движения в вертикальной плоскости за счет амортизаторов 6, закрепленных под ним. Так как, лоток наклонен под углом 30° к горизонтальной плоскости, то сыпучий продукт перемещается по поверхности лотка в сторону узла выгрузки 2. При перемещении вдоль лотка частицы сыпучего продукта изменяют ориентацию относительно источника излучения - плазмотронов 7, размещенных параллельными рядами на раме 8, установленной после узла загрузки над транспортером.

При своем движении частицы сыпучего продукта облучаются источниками холодного плазменного излучения. Процесс обеззараживания и транспортировки сыпучего продукта происходит непрерывно за счет согласования работы узла загрузки и вибратора. Обеззараженный продукт поступает в узел выгрузки 2.

Устройство (фиг.2) содержит узел загрузки в виде бункера 1, узел выгрузки 2, полый барабан 15 с приводом, который вращается с угловой скоростью 2 об/с. Внутри барабана установлены источники излучения - плазмотроны 7. Они закреплены параллельными рядами по четыре плазмотрона в семи рядах на раме 8. Рама 8 крепится неподвижно, например, на траверсе (не показана) вне барабана.

Устройство (фиг.2) для осуществления способа по п.1 работает следующим образом.

Исходный сыпучий продукт из узла загрузки 1 в виде бункера поступает в барабан 15. Включается привод барабана и полый барабан с сыпучим продуктом начинает медленно вращаться вокруг своей продольной оси. При его вращении осуществляется возвратно-поступательное движение частиц во внутренней полости барабана, то есть в процессе вращения изменяется ориентация частиц продукта относительно плазмотронов, в результате этого они облучаются с разных сторон. Так как барабан наклонен под углом 30° к горизонтальной плоскости, то сыпучий продукт одновременно перемещается по поверхности барабана вниз, в сторону узла выгрузки. Включается система плазмотронов 7, размещенных параллельными рядами на раме 8, и происходит процесс обеззараживания сыпучего продукта. Обеззараженный продукт поступает в узел выгрузки 2.

Устройство (фиг.3) содержит узел загрузки 1, узел выгрузки 2, транспортер 3, в качестве источника холодного плазменного излучения использованы три плазмотрона 7, закрепленных на верхней и двух боковых сторонах прямоугольной рамы 8, которая расположена перпендикулярно транспортеру 3. Четвертый плазмотрон 7 закреплен на верхней стороне второй рамы 8. Между обеими рамами расположен манипулятор 10.

В качестве источника лазерного излучения применены шесть лазеров 11, два из которых установлены последовательно с двумя оптико-механическими системами 9, установленными над транспортером. Оптико-механические системы 9 осуществляют поворот луча лазера и направляют его на обрабатываемый продукт. Между оптико-механическими системами установлен манипулятор 12 для поворота продукта в вертикальной плоскости и дальнейшей обработки нижней стороны. Следующие четыре лазера 11 расположены друг за другом и состоят из двух пар лазеров, установленных перпендикулярно транспортеру напротив друг друга. Между этими парами лазеров расположен манипулятор 13, который разворачивает обрабатываемый продукт на 90° в горизонтальной плоскости с целью обработки боковых и торцевых поверхностей продукта.

Устройство (фиг.3) для обеззараживания твердого продукта работает следующим образом.

Исходный твердый продукт 14 из узла загрузки 1 поступает на ленту транспортера 3. Включается привод (не показан) и продукт перемещается по ленте транспортера, попадает под плазмотроны 7, размещенные в первой прямоугольной раме 8. Включается система плазмотронов 7, закрепленных на верхней и двух боковых сторонах прямоугольной рамы 8, при этом обеззараживаются верхняя и две боковые поверхности продукта. Далее продукт перемещается по ленте транспортера в зону манипулятора 10, с помощью которого происходит его кантовка на 360°. Затем продукт по ленте транспортера перемещается во вторую прямоугольную раму 8. Включается плазмотрон, закрепленный на верхней стороне прямоугольной рамы, и обеззараживается нижняя (ставшая верхней) поверхность продукта. Далее продукт перемещается по ленте транспортера в зону первой лазерной установки 11. Включается накачка лазера (не показана) и лазерный луч, проходя через оптико-механическую систему 9, за счет преломления луча лазера в зеркале, установленном под углом 45°, обеззараживает верхнюю поверхность продукта. Затем продукт перемещается по ленте транспортера в зону второго манипулятора 12, с помощью которого происходит его кантовка на 360°. Далее продукт по ленте транспортера перемещается в зону облучения второго лазера. Включается накачка лазера (не показана) и лазерный луч, проходя через вторую оптико-механическую систему, за счет преломления луча лазера в зеркале, установленном под углом 45°, обеззараживает нижнюю (ставшую верхней) поверхность продукта. Затем продукт по транспортеру перемещается в зону облучения двух пар лазеров 11, установленных перпендикулярно транспортеру в горизонтальной плоскости. Включается накачка лазеров (не показана) и лазерные лучи с двух сторон обеззараживают боковые поверхности продукта. Далее продукт перемещается по транспортеру в зону манипулятора 13, с помощью которого происходит его поворот в горизонтальной плоскости на 90°. Продукт далее перемещается в зону облучения следующей пары лазеров, установленных перпендикулярно транспортеру. Включается накачка лазеров (не показана) и происходит обеззараживание оставшихся двух торцевых поверхностей продукта. Полностью обеззараженный продукт, двигаясь далее по транспортеру, выходит из зоны облучения лазеров и попадает в устройство выгрузки 2.

Таким образом, предложенная группа изобретений обеспечивает обеззараживание широкой номенклатуры сыпучих и твердых продуктов при сохранении их потребительских свойств.

Способ предусматривает воздействие на обрабатываемый продукт холодным плазменным излучением при напряжении 3 кВ, частоте 10 Гц с расходом газа 0,6 л/мин в процессе перемещения продукта с изменением его ориентации относительно источника излучения. Для осуществления способа предусмотрено устройство, содержащее узел загрузки, источник излучения, транспортер или полый барабан с приводом, выполненные с возможностью изменения ориентации продукта относительно источника излучения, и узел выгрузки. В качестве источника излучения применена система плазмотронов, размещенная параллельными рядами на раме, установленная после узла загрузки над транспортером или внутри барабана. В другом варианте устройство в качестве источников излучения включает по меньшей мере четыре плазмотрона и не менее шести лазеров. Для изменения ориентации продукта над транспортером установлено не менее трех манипуляторов, расположенных между источниками плазменного и лазерного излучений. Изобретение обеспечивает эффективное обеззараживание продуктов. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ обеззараживания продуктов, предусматривающий воздействие на обрабатываемый продукт излучением в процессе перемещения продукта с изменением его ориентации относительно источника излучения, отличающийся тем, что для обеззараживания продукта его облучают холодным плазменным излучением при напряжении 3 кВ и частоте 10 Гц с расходом газа 0,6 л/мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для обеззараживания продукта его дополнительно облучают лазерным излучением с длиной волны 1064 нм, при частоте 1-30 кГц, длительности импульса 10 нс.

3. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее узел загрузки, источник излучения, транспортер или полый барабан с приводом, выполненные с возможностью изменения ориентации продукта относительно источника излучения, и узел выгрузки, отличающееся тем, что в качестве источника излучения применена система плазмотронов, размещенная параллельными рядами на раме, установленная после узла загрузки над транспортером или внутри барабана.

4. Устройство для осуществления способа по п. 2, содержащее узел загрузки, источники излучения, транспортер и узел выгрузки, отличающееся тем, что источники излучения выполнены в виде источников холодного плазменного и лазерного излучений, расположены друг за другом вдоль транспортера, причем в качестве источника холодного плазменного излучения использованы по меньшей мере четыре плазмотрона, три из которых закреплены на верхней и двух боковых сторонах прямоугольной рамы, которая расположена перпендикулярно транспортеру, четвертый плазмотрон закреплен на верхней стороне второй рамы над транспортером, в качестве источника лазерного излучения применены не менее шести лазеров, два из которых установлены последовательно с двумя оптико-механическими системами, расположены над транспортером параллельно последнему, две пары оставшихся лазеров установлены напротив друг друга перпендикулярно транспортеру, для изменения ориентации продукта над транспортером закреплены не менее трех манипуляторов, расположенных между источниками плазменного и лазерного излучений.