Результат интеллектуальной деятельности: Способ подготовки растительного материала к сушке и устройство для его осуществления

Изобретение относится к технологии разрушения тканей материалов растительного происхождения, в частности овощей, плодов, лекарственных трав, биомассы для подготовки к процессу сушки.

Известен способ сушки плодов и ягод с использованием электроплазмолиза, позволяющий интенсифицировать сушку плодов и ягод (Калафатов Э.Т., Дидович А.Н., Османов Э.Ш. /Влияние электроплазмолиза на процесс сушки плодов и ягод// Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. - 2017. - №9 (172). - С. 71-79).

Известен способ, в котором растительный материал с целью подготовки к выходу или удалению внутриклеточной влаги подвергают электроимпульсной обработке высоковольтными импульсами с экспоненциальным срезом амплитудой 13 кВ; длительностью - 65 мкс; временем нарастания фронта импульса - 300 нс; временем среза импульса - 63 мкс, частотой следования импульсов 15 Гц; при значениях прикладываемого напряжения: U=2,5; 5,0; 7,5; 10,0 кВ и количестве воздействующих импульсов: m=50; 100; 500; 1000 шт. (Юдаев Ю.С., Кокурин Р.Г., Даус Ю.В. /Электроимпульсный плазмолиз растительного сырья: изучение процесса и его техническое обеспечение// Вестник РГАТУ. - 2018. - №3 (39), - с. 135-139).

Этот способ требует прямого контакта электродов с обрабатываемым продуктом и требует применения мощного генератора импульсных электрических полей.

Известен способ обработки растительных тканей импульсным электрическим полем для извлечения из них растительного вещества, в частности сока, в котором растительные ткани уплотняют для уменьшения остаточного пространства между растениями, не создавая при этом чрезмерного давления, при котором происходит выделение сока, а уплотненные растения подвергают воздействию импульсного электрического поля по меньшей мере в одной камере обработки, причем после обработки растительных тканей импульсным электрическим полем из камеры обработки отбирают первый сок (патент РФ №2613225, МПК A23L 2/50 (2006.01), A23N 1/02(2006.01)).

Для осуществления способа необходим прямой контакт электродов с обрабатываемым продуктом, что снижает эксплуатационные характеристики технических средств для реализации способа, из-за высокой эрозии электродов и требуется применение мощного высоковольтного генератора.

Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому способу является способ подготовки плодов и винограда к сушке, включающий электроискровую обработку при непосредственном контакте продукта с электродами (а.с. СССР №1091896, МПК (3) А23В 7/02, A23L 3/32, 1984). Электроискровую обработку проводят при напряжении между электродами 5,0-6,5 кВ, а после нее осуществляют дополнительную обработку в межискровом промежутке при напряжении 10-32 кВ. При дополнительной обработке продукт располагают на расстоянии от электродов 2-4 мм.

Способ является двухстадийным и требует двух различных высоковольтных генераторов для подготовки плодов винограда к сушке. В данном способе процесс разрушения растительных тканей происходит на первом этапе при непосредственном контакте продукта с электродами, что снижает эксплуатационные характеристики технических средств для реализации способа, вследствие высокой эрозии электродов.

Известно устройство, содержащее выполненный из изоляционного материала корпус, состоящий из двух половин, в котором расположены выполненные из токопроводящего материала верхний и нижний электроды (патент РФ №2157649 МПК A23L 3/32 (2000.01), C02F 1/48 (2000.01)). Между этими электродами размещен промежуточный электрод, имеющий сквозное отверстие в центральной его части. Нижний и верхний электроды имеют отверстия для ввода и вывода из камеры обрабатываемого продукта. К промежуточному электроду подключен высоковольтный вывод генератора импульсов высокого напряжения, а к нижнему и верхнему электродам подключен заземленный вывод генератора. Жидкий продукт через отверстия в нижнем электроде вводится в камеру, потом через отверстие в промежуточном электроде поступает в пространство между промежуточным и верхним электродами и через отверстия в верхнем электроде выводится из камеры. Одновременно с подачей продукта в камеру от генератора на промежуточный, нижний и верхний электроды поступают импульсы высокого напряжения. Эти импульсы преобразуются в импульсы электрического поля высокой напряженности и тока, которые воздействуют на электрообрабатываемый продукт.

Недостатком указанного технического решения является непосредственный контакт электродов с обрабатываемым продуктом, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик.

Известно устройство для разрушения клеточных структур растительных тканей, содержащее рабочую камеру, в которую встроена система электродов и сетчатая перегородка для размещения на ней измельчаемых материалов, внутренние прямолинейные, равные по длине поверхности рабочей камеры снабжены системой электродов, выполненных в виде гребенок, причем отдельные вершины гребенок электроизолированы друг от друга вставками из неэлектропроводного материала, который установлен на внутренние поверхности рабочей камеры и имеет каналы для соединения гребенок с источником электроэнергии, а перегородка сетчатая, диаметр отверстий 1,2 мм установлена на днище рабочей камеры, для отделения частиц зерна заданных размеров и задержки более крупных частиц в зоне максимального электрогидравлического воздействия для дальнейшего измельчения (патент РФ №177400, МПК В02С 19/18 (2006.01), В02С 23/00 (2006.01)).

Недостатком указанного устройства является непосредственный контакт электродов с обрабатываемым продуктом, что приводит к снижению его эксплуатационных характеристик.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является устройство, применяемое для реализации способа дробления и/или предварительного ослабления материала с помощью высоковольтных разрядов и содержащее:

a) зону обработки между по меньшей мере двумя электродами, расположенными на расстоянии один от другого,

b) средства направления материала соответственно для дробления или предварительного ослабления через зону обработки, и

c) средство генерации высоковольтных разрядов между указанными по меньшей мере двумя электродами во время направления материала соответственно для дробления или предварительного ослабления через зону обработки с целью дробления и/или предварительного ослабления материала, при этом средство генерации высоковольтных разрядов между указанными по меньшей мере двумя электродами выполнено с возможностью запланированного инициирования единичных высоковольтных разрядов или единичных последовательностей из множества высоковольтных разрядов (патент РФ №2621589, МПК В02С 19/18 (2006.01)).

Недостатком указанного устройства является непосредственный контакт электродов с обрабатываемым продуктом, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик.

Изобретение направлено на разработку бесконтактного способа обработки растительного сырья для подготовки к процессу сушки.

Технический результат - повышение эффективности процесса разрушения тканей растительного сырья при сохранении эксплуатационных характеристик оборудования для осуществления способа.

Указанный технический результат достигается использованием способа подготовки растительного материала к сушке, включающим обработку материала, перемещаемого между анодным и катодным узлами при электроискровом напряжении. Обработку растительного материала проводят в режиме несамостоятельного газового разряда высоковольтными прямоугольными импульсами одновременно с термоэлектронной эмиссией при напряженности электрического поля 3×10⁵ - 6×10⁵ В/м, при этом во время перемещения материала катодный узел совершает возвратно-поступательные движения перпендикулярно направлению движения растительного материала. Для реализации способа используют устройство для подготовки растительного материала к сушке, включающее средство генерации высоковольтных разрядов между анодным и катодным узлами, расположенными один от другого предпочтительно на расстоянии, обеспечивающем возникновение электроискрового разряда, и средство перемещения обрабатываемого материала, например, транспортерной ленты. Каждый из узлов содержат соединенные друг с другом насадку и головку, выполненную из двух постоянных магнитов, размещенную в корпусе. Насадка анодного узла выполнена пилообразной. К корпусу головки катодного узла, установленного с возможностью перемещения перпендикулярно направлению движения материала, прикреплен источник термоэлектронной эмиссии, выполненный в виде нагреваемой спирали. Насадка катодного узла выполнена в форме сферы.

Наличие термоэлектронной эмиссии в импульсном электрическом поле от высоковольтного генератора при напряженности электрического поля 3×10⁵ - 6×10⁵ В/м, позволяет между электродными узлами формировать несамостоятельный газовый разряд, который является основным фактором разрушения тканей растительных материалов.

Экспериментально установлено, что при напряженности электрического поля менее 3×10⁵ В/м несамостоятельный газовый разряд не формируется.

При значениях напряженности электрического поля более 6×10⁵ В/м в нормальных условиях внешней среды и наличии растительного материала между электродными узлами формируется самостоятельный газовый разряд, который характеризуется резким скачком величины тока, неуправляемостью процесса обработки и высокой температурой.

Предлагаемый способ позволяет предотвратить рост температуры обрабатываемого материала от высоковольтного разряда вследствие возникновения Джоулева тепла, что обеспечивает применение менее мощного высоковольтного генератора.

Наличие термоэлектронной эмиссии в импульсном электрическом поле совместно с высоковольтными прямоугольными импульсами позволяет проводить бесконтактный процесс обработки растительного материала несамостоятельным газовым разрядом в воздушной среде, не допуская прямого контакта растительного материала с электродными узлами, что снижает их эрозию и механическое истирание. Источник термоэлектронной эмиссии выполнен в виде нагреваемой спирали.

Для увеличения площади обработки растительных материалов насадка анодного узла выполнена пилообразной, а насадка катодного узла выполнена в форме сферы.

Форма насадки, выполненная в виде сферы, обеспечивает равномерное по всей ее рабочей поверхности распределение разряда, а также - стабильность возникновения разряда и является наиболее предпочтительной.

Выполнение насадки анодного электродного узла пилообразной формы, например, в виде планки с нарезанными на ней зубьями, позволяет повысить эффективность процесса разрушения тканей растительного сырья за счет формирования системы электродов «точка-острие», увеличивая при этом количество разрушенных тканей.

Использование средства перемещения, например, транспортерной ленты, выполненной в виде сетки из диэлектрического материала, позволяет несамостоятельному газовому разряду беспрепятственно проходить через обрабатываемый материал.

Установление катодного заземленного электродного узла с возможностью перемещения перпендикулярно направлению движения материала позволяет осуществляться обработку всей площади поверхности растительного материала несамостоятельным газовым разрядом, что повышает эффективность процесса разрушения тканей растительного материала.

При испытаниях использовался функциональный генератор импульсов Agilent 33220А совместно с прецизионным усилителем Matsusada AMPS 20В20 со значением максимальной амплитуды выходного напряжения 20 кВ. От усилителя Matsusada AMPS 20В20 на анодный узел подают серию прямоугольных импульсов длительностью 30 мкс и амплитудой 12 кВ в количестве 18000 штук (частота 300 Гц).

На фигуре 1 схематично представлен общий вид устройства для подготовки растительного материала к сушке в соответствии с заявляемым изобретением, на фигуре 2 - разрез по А-А этого устройства.

Устройство для подготовки растительного материала к сушке состоит из средства генерации высоковольтных разрядов 1, анодного 2 и катодного 3 узлов и средства перемещения 4, например, транспортерной ленты. При этом анодный узел 2 содержит насадку 5 и выполненную из двух постоянных магнитов головку 6, соединенную с насадкой 5 и размещенную в корпусе 7. Катодный узел 3 содержит насадку 8 и выполненную из двух постоянных магнитов головку 9, соединенную с насадкой 8 и размещенную в корпусе 10. Источник термоэлектронной эмиссии 11, выполнен в виде нагреваемой спирали и прикреплен к корпусу 10. При этом катодный узел 3 установлен с возможностью перемещения перпендикулярно относительно направления движения растительного материала 12, расположенного на средстве перемещения 4.

Пример 1.

Растительный материал 12 - картофель общей массой 1 кг нарезают на диски толщиной 5-6 мм и размещают на средстве перемещения 4, для его подачи в зону обработки между горизонтально расположенными электродными узлами 2, 3 на расстоянии 24 мм друг относительно друга.

Включают средство генерации высоковольтных разрядов 1 и источник термоэлектронной эмиссии 11. С помощью термоэлектронной эмиссии совместно с высоковольтными прямоугольными импульсами в зоне обработки между электродными узлами 2, 3 во время перемещения материала 12 через зону обработки формируют несамостоятельный газовый разряд при напряженности электрического поля 5×10⁵ В/м. При этом несамостоятельный газовый разряд от средства генерации высоковольтных разрядов 1 проходит через головку 6, расположенную в корпусе 7, и насадку 5, далее проходит через материал 12, насадку 8 и головку 9, установленную в корпусе 10, и заземляется. При этом заземленный электродный узел 3 совершает возвратно-поступательные движения перпендикулярно направлению движения материала 12 на средстве перемещения 4. В результате воздействия несамостоятельного газового разряда разрушаются ткани растительного материала 12.

Обработанный таким образом картофель при начальном содержании влажности 85% сушится впоследствии на 20-30% быстрее до достижения влажности 20%, чем необработанный при тех же условиях сушки.

Пример 2.

Растительный материал 12 - репчатый лук общей массой 1 кг нарезают на диски толщиной 6-8 мм и размещают на средстве перемещения 4, для его подачи в зону обработки между горизонтально расположенными электродными узлами 2, 3 на расстоянии 40 мм друг относительно друга.

Включают средство генерации высоковольтных разрядов 1 и источник термоэлектронной эмиссии 11. С помощью термоэлектронной эмиссии совместно с высоковольтными прямоугольными импульсами в зоне обработки между электродными узлами 2,3 во время перемещения материала 12 через зону обработки формируют несамостоятельный газовый разряд при напряженности электрического поля 3×10⁵ В/м. При этом несамостоятельный газовый разряд от средства генерации высоковольтных разрядов 1 проходит через головку 6, расположенную в корпусе 7, и насадку 5, далее проходит через материал 12, насадку 8 и головку 9, установленную в корпусе 10, и заземляется. При этом заземленный электродный узел 3 совершает возвратно-поступательные движения перпендикулярно направлению движения материала 12 на средстве перемещения 4. В результате воздействия несамостоятельного газового разряда разрушаются ткани растительного материала 12.

Обработанный таким образом репчатый лук при начальном содержании влажности 80% сушится впоследствии на 30-40% быстрее до достижения влажности 20%, чем необработанный при тех же условиях сушки.

Пример 3.

Растительный материал 12 - яблоки сорта «Гренни Смит» общей массой 1 кг нарезают на диски толщиной 5-6 мм и размещают на средстве перемещения 4 для его подачи в зону обработки между горизонтально расположенными электродными узлами 2, 3 на расстоянии 20 мм друг относительно друга.

При этом заземленный электродный узел 3 совершает возвратно-поступательные движения перпендикулярно направлению движения материала 12 на средстве перемещения 4. В результате воздействия несамостоятельного газового разряда разрушаются ткани растительного материала 12.

Обработанные таким образом яблоки сорта «Гренни Смит» при начальном содержании влажности 80% сушатся впоследствии на 20-30% быстрее до достижения влажности 20%, чем необработанные при тех же условиях сушки.

Заявляемое изобретение позволяет повысить эффективность процесса разрушения тканей растительного сырья, подготавливаемого к сушке, что в последствие приводит к сокращению времени сушки, кроме этого за счет разработанного бесконтактного способа подготовки к сушке эксплуатационные характеристики оборудования сохраняются.

Проведенные патентно-информационные исследования показали, что совокупность существенных признаков заявляемого изобретения в доступных источниках информации не выявлена.

Таким образом, заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем, промышленно применимо и, следовательно, соответствует условиям патентоспособности изобретения.