СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАПИТКА, ОБОГАЩЕННОГО МОЛЕКУЛЯРНЫМ ВОДОРОДОМ, И НАПИТОК Российский патент 2023 года по МПК A23L2/52 A23L2/54 C02F1/68 

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к водоподготовке и производству напитков с антиоксидантной активностью (АОА).

В условиях жизни современного человека невозможно адекватное обеспечение потребности организма всеми необходимыми для поддержания его жизнедеятельности пищевыми и минорными биологически активными компонентами за счет традиционного питания. Дефицит этих пищевых веществ и биологически активных компонентов в рационе приводит к снижению резистентности организма к неблагоприятным факторам окружающей среды.

Известен способ повышения АОА пищевой продукции – использование биологически активных веществ, таких как витамин С, ретинол и дигидрокверцетин (RU 2622764 C2, 19.06.2017), но недостаток этого способа в том, что эти вещества в необходимых организму количествах АОА изменяют органолептические свойства воды и увеличивают стоимость конечного продукта.

Одним из альтернативных источников повышения физиологической ценности пищи выступает водородная вода – продукт с антиоксидантной активностью (АОА). Антиоксиданты нейтрализуют радикалы кислорода, оказывают цитопротекторное действие. Водород не имеет вкуса и запаха, в водном растворе стабилен. Водородная вода - это питьевая вода, обогащенная молекулярным водородом – не менее 1,0 мг/л. В настоящее время в пищевой промышленности водородная вода относится к категории безалкогольных напитков.

Из уровня техники известна Канген-вода (Япония), получаемая электролизом, а также много патентов, посвященных получению водородной воды: RU 2727362 C2, 21.07.2020; RU 181096 U1, 04.07.2018; RU 2620802 С1, 29.05.2017; RU 2309902 С1, 10.11.2007; RU 2557974 С1.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является способ производства воды и водородный напиток из патента RU 2671538 C1, 01.11.2018. Приготовление напитка заключается в насыщении подготовленной воды молекулярным водородом в сатураторе. Источник водорода (баллон или генератор водорода) подключается через редуктор и трубопровод к сатуратору. Открывается входной газовый вентиль источника водорода, на редукторе устанавливается рабочее давление водорода в пределах 0,3…0,4 Мпа. Открывается входной газовый клапан на сатураторе, водород вытесняет в дренаж воду, которая была предварительно залита в колонну сатуратора. После окончания работы закрывается запорный вентиль источника водорода, отключается подача воды на сатуратор, и через дренажный трубопровод производится сброс избыточного давления в сатуратор.

Известный способ приготовления воды обогащенной водородом применим по большей части к воде для хозяйственно-технологических целей с критерием наличия (качественный показатель) водорода в воде.

Авторы заявленного изобретения поставили перед собой задачу обеспечить не только качественную сторону процесса, но и получить возможность обеспечения стабильных количественных показателей насыщения воды молекулярным водородом, обеспечить стабильную дозу содержания H2 в воде и напитках, обеспечить возможность регулировать процесс поддержания концентрации, что принципиально важно для применения обогащенной таким образом воды в пищевой промышленности, а также других отраслях, таких как фармацевтика, медицина, косметическая промышленность.

Вкратце сущность заявленного способа заключается в насыщении воды (например, сатурацией или инфузией) водородом, как правило, полученным в результате электролиза или находящимся в баллоне под избыточным давлением. При этом водород подается под давлением через систему эжекции в ёмкость/резервуар, максимально заполненную водой (для исключения воздушной подушки), до достижения заданного давления (задается из интервала 3 – 5 бар) с последующим сбросом избытка газовоздушной смеси в дренажную линию и подачей следующей порции H2 (определяется давлением в системе) для достижения в конечном итоге заданной/требуемой концентрации Н2 (в интервале 1 – 1,4 мг/л).

Конкретно, предложенный способ получения напитка, обогащенного молекулярным водородом, предусматривает фильтрацию и подготовку исходной питьевой воды, дальнейшее ее насыщение молекулярным водородом и подачу на розлив, при этом способ включает следующие стадии:

- подачи воды в емкость с заполнением емкости до порогового верхнего уровня с перекрытием подачи воды по его достижении;

- подачи водорода в емкость через по меньшей мере одно инжекционное сопло до достижения заданного давления, не превышающее пороговое, в емкости, с перекрытием подачи водорода по его достижении;

- циркуляции воды, насыщенной водородом, на заданное время для ускорения растворения водорода в воде;

- удаление образовавшейся газо-воздушной смеси из верхней части емкости;

- опционально, долив в емкость воды до порогового уровня, подача водорода до заданного давления в емкости с учетом заданной концентрации воды, обогащенной водородом, на выходе, удаление газо-воздушной смеси из верхней части емкости;

- розлива полученного напитка с заданной концентрацией водорода,

при этом по меньшей мере контролируют уровень воды и давление в емкости, время циркуляции воды, концентрацию молекулярного водорода в напитке, а указанные опциональные стадии выполняют по мере необходимости с возможностью повтора всех вместе или каждой по отдельности, для последовательного насыщения воды водородом.

Способ согласно изобретению представляет собой циклический процесс получения напитка при непрерывном производстве.

Способ согласно изобретению представляет собой автоматизированное непрерывное производство с розливом напитка в тару.

Способ согласно изобретению предусматривает отбор проб воды для определения концентрации водорода на разных стадиях и/или циклах получения напитка.

Способ согласно изобретению включает также стадии:

- подачи воды в емкость с заполнением бака до заданного верхнего уровня с перекрытием подачи воды по его достижении;

- подачи водорода в емкость через по меньшей мере одно инжекционное сопло до достижения заданного давления в емкости, с перекрытием подачи водорода по его достижении;

- циркуляции воды, насыщенной водородом, на заданное время для ускорения растворения водорода в воде;

- удаление образовавшейся газо-воздушной смеси из верхней части емкости;

- долив в емкость воды до заданного уровня,

- подача водорода до заданного давления в емкости и/или требуемой концентрации воды, обогащенной водородом, на выходе,

- опционально удаление газо-воздушной смеси из верхней части емкости;

- повтор стадий насыщения воды молекулярным водородом необходимое количество циклов до достижения заданной концентрации молекулярного водорода в напитке на выходе;

- розлива полученного напитка.

Предпочтительно, в способе согласно изобретению водород подается в емкость через два инжекционных сопла.

В способе согласно изобретению указанные выше опциональные стадии выполняют по мере необходимости с возможностью повтора всех вместе или каждой по отдельности, для последовательного насыщения воды водородом.

В способе согласно изобретению заданная концентрация молекулярного водорода в напитке не менее 1,0 мг/л и не более 1,4 мг/л.

Указанным способом получают напиток, обогащенный молекулярным водородом, готовый к употреблению.

При этом под пороговым уровнем воды в емкости понимают максимально возможное заполнение емкости водой при минимально возможном воздушном зазоре в верхней части емкости, определяемое техническими возможностями оборудования. Пороговый уровень воды в ёмкости контролируется датчиком уровня воды. Конструктивно датчик уровня воды в ёмкости выполнен таким образом, что ёмкость в основной своей геометрии заполняется абсолютно полностью и подача воды прекращается. Давление в ёмкости за счёт подачи воды не создается.

Пороговое значение давления в емкости – это значение давление, при котором обеспечивается нормальное функционирование процесса на заданной скорости и при оптимальных режимах на используемом оборудовании. Пороговое давление водорода – это давление, при котором водород начинает активно выделяться в газо-воздушную смесь в верхней части емкости, что препятствует его растворению в воде. Избыточное давление в ёмкости создается исключительно поступающим водородом и задается прессостатом, причем регулируя величину избыточного давления возможно в том числе менять скорость набора концентрации Н2, сама же предельная величина избыточного давления определяется конструкцией установки (ёмкости).

Заданные и пороговые значения определяются режимами процесса и используемым оборудованием: скоростью и давлением подачи водорода и воды, размерами и количеством инжекционных сопел, объемом и формой емкости, толщиной стенок и др. показателями.

В данном случае используется емкость/резервуар с примерным объемом 0,5 – 2 м³ (стандартная для данной отрасли). Исходя из этого опытным путем подбираются режимы настоящего способа.

Подача водорода в емкость осуществляется до достижения заданного давления, которое задается/выбирается в интервале 3 – 5 бар.

На стадии циркуляции воды, насыщенной водородом, заданное время для ускорения растворения водорода в воде задается/выбирается в интервале 10 – 60 секунд.

Заданная концентрации воды, обогащенной водородом, на выходе/заданная концентрация водорода на выходе задается/выбирается в интервале 1 – 1,4 мг/л.

Технический результат изобретения заключается в возможности реализовать заявленным способом стабильные количественные показатели содержания молекулярного водорода в воде, обеспечить непрерывный циклический процесс обогащения водородом воды и поддержания заданной концентрации Н2, что позволяет в условиях промышленного применения вести непрерывный процесс розлива обогащенной воды на автоматических производственных линиях в условиях пищевого производства.

Существенным для достижения технического результата являются стадии и их последовательность в способе, а не конкретные режимы, поскольку они подбираются опытным путем.

Осуществление заявленного способа показано через схему работы установки на фигуре 1, где обозначены следующие позиции:

1 – пневматический запорный клапан;

2 – дренажный/сбросной клапан;

3 – электромагнитный клапан;

4 – редуктор;

5 – фильтр;

6 – датчик уровня воды

7 – обратный клапан;

8 – смотровое окно;

9 – эжектор;

10 – циркуляционный насос;

11 – измерительная тепловая камера;

12 – анализатор водорода проточный;

13 – пропорциональный регулирующий клапан;

14 – распыляющая головка;

15, 16, 17 – вентиль;

18 – предохранительный клапан;

19 – баллон с водородом;

20 – емкость/резервуар;

21 – датчик контроля давления.

Датчик уровня воды (6) в ёмкости электродный, конструктивно выполнен так, чтобы обеспечить полное заполнение емкости. Перелива быть не может, фактически это труба большого размера, если датчик наполнения по какой-то причине не сработает - цикл дальше не пойдет, установка останавливается.

Датчик контроля давления представляет собой обычный прессостат стандартного исполнения.

Удаление избытка газовоздушной смеси не приводит к изменению уровня воды в емкости. Установка постоянно работает с «замоченным» датчиком уровня воды. Если по какой-то причине датчик даст сигнал недостатка воды — установка остановится, это принципиально.

Вода циркулирует фактически по контуру ёмкость-ёмкость, но ёмкость имеет форму горизонтально расположенного цилиндра как видно на фигуре 1. Насос М1 «всасывает» воду с левой стороны емкости через обратный клапан (7) и подает его в правую часть ёмкости через эжекторы (9) на распыляющие устройства (14). На фигуре 1 показаны два параллельных канала подачи водорода в систему, как предпочтительный вариант воплощения способа. Ввиду того, что емкость имеет L H, поэтому водород подается в 2 точки размещённые по длине емкости для лучшего перемешивания.

Пример. Предпочтительный вариант реализации способа.

Предлагаемый способ приготовления напитка, обогащенного молекулярным водородом, для применения в пищевой промышленности заключается в следующем: источник водорода (баллон (19) или генератор водорода) размещается в условиях, отвечающих требованиям безопасности по эксплуатации подобных устройств, и соединяется с установкой обогащения воды магистралью с помощью нержавеющих трубопроводов с обязательной установкой запорного устройства (пневматический запорный клапан 1). При этом на выходе источника водорода перед входом в магистраль должно быть установлено устройство понижающее давление с возможностью регулировки выхода (редуктор (4)) водорода в пределах (0,3÷0,5) МПа. Сама установка обогащения воды водородом представляет из себя горизонтально установленную емкость/резервуар (20) с пневматическим (электромагнитным) запорным клапаном (1) на входе питающей воды и пропорциональным регулирующим клапаном (13) на выходе. Емкость/резервуар (20) оборудована системой измерения и контроля уровня воды и давления (прессостат, датчик уровня воды), системой подачи и растворения водорода (эжектор, распыляющая головка в емкости), а также системой сброса избыточного давления нерастворенного (несвязанного) Н2 и циркуляции (дренажный клапан, циркуляционный насос).

Работа системы происходит следующим образом: вода из системы водоподготовки должным образом очищенная, умягченная с необходимым уровнем минерализации и рН под давлением (4÷5) кг/см² подается на вход установки через пневматический запорный клапан (1), при наличии разрешающего сигнала от системы управления пневматический запорный клапан (1) на входе установки открывается, при этом пропорциональный регулирующий клапан (13) на выходе закрыт, и вода заполняет емкость (20) абсолютно полностью (момент окончания наполнения контролируется датчиком уровня воды (6), установленного таким образом, чтобы обеспечить максимальное/пороговое наполнение) до момента закрытия пневматического запорного клапана (1). При этом важно обеспечить минимальную остаточную воздушную подушку в емкости.

После получения системой управления сигнала о достижении водой верхнего уровня (датчик уровня воды (6)) и закрытия входного клапана воды (1), автоматически открывается клапан подачи водорода (3), установленный на водородной магистрали и водород под давлением, установленным на выходе источника водорода 3 – 5 бар, (редуктор (4)) через систему эжекции (9) буквально впрыскивается в заполненный резервуар моментально поднимая в нем давление фактически до величины давления на выходе источника водорода (4). По подъему давления срабатывает прессостат (датчик контроля давления (21)) на емкости и закрывает клапан водорода (3), и включает циркуляционный насос (10) системы на заданное время (выбирается из интервала t ≈ 10÷60 сек). Этот этап необходим для более эффективного растворения водорода в воде. После завершения циркуляции в верхней части емкости образуется под избыточным давлением (в оставшейся воздушной подушке) газо-воздушная смесь, которая автоматически через открывшийся в этот момент сбросной/дренажный клапан (2) удаляется в газоотводящую систему (дренаж). На этом первый цикл системы обогащения заканчивается и автоматически начинается новый цикл с фазы впрыска водорода. При этом счетчик системы считает циклы и по достижении значения, заданного оператором (задает количество циклов), обогащение воды водородом прекратится, система готова к следующей фазе – подачи воды на разливочную машину. Количество циклов обогащения определяется необходимой величиной концентрации молекулярного водорода и при использовании описанного выше способа для достижении концентрации не менее 1,0 мг/л и не более 1,4 мг/л составляет примерно 10 ÷ 13 циклов при первом заполнении емкости, а при последующем 1 – 2 цикла.

На розлив подается порция воды, которая определяется объемом блока розлива и расположением контрольных датчиков уровня в блоке розлива, т.е. в целом это определяется характеристикой и настройками расходной ёмкости блока розлива. Блок розлива по сигналу своего датчика нижнего уровня делает запрос установке источника водородной воды, при этом на источнике открывается клапан (1) и клапан (13), и вода под давлением входящей магистрали вытесняется из резервуара в блок розлива до срабатывания в блоке розлива датчика верхнего уровня. По срабатыванию этого датчика закрывается клапан (1) и (13) и установка обогащения переходит в режим донасыщения путем дополнительной генерации нескольких циклов обогащения. При этом блок розлива находится в рабочем режиме и разливает обогащенную воду в потребительскую тару. К моменту появления сигнала от нижнего датчика уровня блока розлива установка обогащения уже снова готова отдать порцию воды. Таким образом, процесс осуществляется непрерывно.

Эффективная концентрация водорода определяется путем периодического отбора проб и проведения измерений анализатором водорода, по результатам измерений возможны корректировки концентрации изменением количества циклов обогащения в ту или другую сторону.

Система легко позволяет автоматизировать этот этап работы путем встраивания в систему циркуляции стационарного анализатора воды водорода типа АВП-01Т, который в фазе циркуляции проведет необходимые измерения и даст команду на подачу воды на розлив при достижении нужных значений.

При обогащении питьевой воды молекулярным водородом у напитка появляется АОА и окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) снижается до отрицательных значений. ОВП – важнейшая характеристика внутренней среды организма. При положительных значениях ОВП вещество является окислителем, при отрицательных-восстановителем (чем больше отрицательная величина ОВП, тем эффективнее вещество борется с оксидантами). С водородом АОА воды повышается почти в 12 раз. Молекула водорода-самая маленькая молекула, что позволяет ей беспрепятственно проникать через биологические мембраны внутрь клеточных органелл. Водород – восстановитель, один из самых эффективных антиоксидантов. Он избирательно поглощает наиболее агрессивные цитотоксические активные формы кислорода - гидроксильный радикал и пероксинитрит, не затрагивая менее активные сигнальные молекулы, которые так же являются активными формами кислорода, но необходимы для нормального метаболизма. Молекулярный водород переходит в состояние нанопузырьков, в которых содержатся и сохраняются молекулы водорода (некоторое время после открытия бутылки).

Употребление водородной воды создает идеальную биологическую среду, в которой не могут выжить бактерии и вирусы. Употребление водородной воды позволяет наслаждаться лучшим качеством жизни в течение последующих лет (не менее 1,5 л ежедневно). На данный момент исследованиями установлено, что целебный антиоксидантный эффект обеспечивает не менее 0,5 мг Н2 растворенного в 1 л воды при приёме внутрь.

Для производства водородной воды используют обработанную питьевую воду, которую получают из артезианской скважины, и она может быть обработана современными существующими методами. Обработанная вода должна отвечать требованиям, установленным в ТР ЕАЭС 044/2017 «О безопасности упакованной питьевой воды, включая природную минеральную воду».

По степени насыщения водородная вода «негазированная», это «тихий» напиток. Тара для розлива водородной воды используется с высокими барьерными свойствами - стеклянная. Так как молекулы водорода очень маленького размера, постепенно водород уходит в атмосферу через стенки бутылок из полиэтилентерефталата. Готовую продукцию хранят в перевернутом положении (дно-вверх), так как водород легче воздуха. Срок годности напитка, обогащенного водородом, в стеклянной таре 12 месяцев.

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к производству напитков с антиоксидантной активностью (АОА). Предложен способ получения напитка, обогащенного молекулярным водородом, предусматривающий фильтрацию и подготовку исходной питьевой воды, дальнейшее ее насыщение молекулярным водородом и подача на розлив, который включает стадии: подачи воды в емкость с заполнением емкости до порогового верхнего уровня с перекрытием подачи воды по его достижении; подачи водорода в емкость до достижения давления, не превышающего пороговое в емкости, с перекрытием подачи водорода по его достижении; циркуляции воды насыщенной водородом на время, необходимое для растворения водорода в воде; удаления образовавшейся газовоздушной смеси из верхней части емкости; опционально, долив в емкость воды до порогового уровня, подача следующей порции водорода до достижения давления в емкости с учетом концентрации воды обогащенной водородом на выходе, удаление газовоздушной смеси из верхней части емкости; розлива полученного напитка в виде обогащенной молекулярным водородом воды с концентрацией водорода от 1 мг/л до 1,4 мг/л, при этом по меньшей мере контролируют уровень воды и давление в емкости, время циркуляции воды, концентрацию молекулярного водорода в напитке, а указанные опциональные стадии выполняют с возможностью повтора всех вместе или каждой по отдельности, для последовательного насыщения воды водородом. Также предложен напиток, обогащенный молекулярным водородом, готовый к употреблению, который получен указанным способом в виде обогащенной молекулярным водородом негазированной воды с концентрацией водорода от 1 мг/л до 1,4 мг/л. Изобретение обеспечивает стабильные количественные показатели содержания молекулярного водорода в воде, непрерывный циклический процесс обогащения водородом воды и поддержания заданной концентрации Н2, что позволяет в условиях промышленного применения вести непрерывный процесс розлива обогащенной воды на автоматических производственных линиях в условиях пищевого производства. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Способ получения напитка, обогащенного молекулярным водородом, предусматривающий фильтрацию и подготовку исходной питьевой воды, дальнейшее ее насыщение молекулярным водородом и подача на розлив, отличающийся тем, что включает стадии:

- подачи воды в емкость с заполнением емкости до порогового верхнего уровня с перекрытием подачи воды по его достижении;

- подачи водорода в емкость до достижения давления, не превышающего пороговое в емкости, с перекрытием подачи водорода по его достижении;

- циркуляции воды насыщенной водородом на время, необходимое для растворения водорода в воде;

- удаления образовавшейся газовоздушной смеси из верхней части емкости;

- опционально, долив в емкость воды до порогового уровня, подача следующей порции водорода до достижения давления в емкости с учетом концентрации воды обогащенной водородом на выходе, удаление газовоздушной смеси из верхней части емкости;

- розлива полученного напитка в виде обогащенной молекулярным водородом воды с концентрацией водорода от 1 мг/л до 1,4 мг/л,

при этом по меньшей мере контролируют уровень воды и давление в емкости, время циркуляции воды, концентрацию молекулярного водорода в напитке, а указанные опциональные стадии выполняют с возможностью повтора всех вместе или каждой по отдельности, для последовательного насыщения воды водородом.

2. Способ по п. 1, представляющий собой циклический процесс получения напитка при непрерывном производстве.

3. Способ по п. 2, представляющий собой автоматизированное непрерывное производство с розливом напитка в тару.

4. Способ по любому из пп. 1-3, предусматривающий отбор проб воды для определения концентрации водорода на разных стадиях и/или циклах получения напитка.

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором подачу водорода в емкость осуществляют через по меньшей мере одно, преимущественно, через два инжекционных сопла.

6. Способ по любому из пп. 1-5, включающий стадии:

- подачи воды в емкость с заполнением бака до верхнего уровня с перекрытием подачи воды по его достижении;

- подачи водорода в емкость до достижения давления в емкости, с перекрытием подачи водорода по его достижении;

- циркуляции воды насыщенной водородом на время, необходимое для растворения водорода в воде;

- удаления образовавшейся газовоздушной смеси из верхней части емкости;

- долива в емкость воды до верхнего уровня,

- подачи водорода до достижения давления в емкости с учетом концентрации воды обогащенной водородом на выходе,

- опционально удаление газовоздушной смеси из верхней части емкости;

- повтор стадий насыщения воды молекулярным водородом циклами с учетом концентрации молекулярного водорода в напитке на выходе;

- розлива полученного напитка.

7. Способ по любому из пп. 1-5, в котором указанные опциональные стадии выполняют с возможностью повтора всех вместе или каждой по отдельности, для последовательного насыщения воды водородом.

8. Напиток, обогащенный молекулярным водородом, готовый к употреблению, отличающийся тем, что получен способом по любому из пп. 1-7 в виде обогащенной молекулярным водородом негазированной воды с концентрацией водорода от 1 мг/л до 1,4 мг/л.