Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА КОМПЛЕКСНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности для обеззараживания жидкостей (воды, молока и т.д.).

Известен способ повышения эффективности микроволновых печей, реализованный в установке, содержащей камеру нагрева, изготовленную из тонкого листового металла, на верхней стенке которой установлена полосковая антенна, элементами которой являются излучатель. На нижней стенке камеры нагрева установлен источник УЗ-колебаний [1].

Известно также устройство для бактерицидной обработки жидкости, содержащее СВЧ генератор, линию передачи с излучателем энергии СВЧ и источник УФ оптического излучения в виде осесимметричной безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы, имеющей СВЧ и УФ прозрачную вакуумно-плотную оболочку, отличающееся тем, что линия передачи с излучателем энергии СВЧ выполнена в виде волновода круглого сечения с рабочим типом волны TE₀₁ (H₀₁) [2].

Основным недостатком существующих способов и технических средств для обеззараживания молока является недостаточная эффективность бактерицидной обработки молока.

Предлагаемое изобретение предназначено для обеззараживания жидких продуктов в проточном режиме комплексным воздействием физических факторов, таких как электромагнитное поле сверхвысокой частоты, бактерицидный поток ультрафиолетовых лучей и ультразвуковые колебания.

Технической задачей изобретения является снижение бактериальной обсемененности молока путем разработки установки, обеспечивающей комплексное воздействие физических факторов в эффективных режимах.

Указанный технический результат достигается тем, что:

- воздействуют СВЧ полем частотой 2450 МГц, удельной мощностью 4 Вт/г в проточном режиме с наложением бактерицидного потока УФ излучений лампой мощностью 240 Вт и ультразвукового поля с частотой 40 кГц и удельной мощностью УЗ генератора 0,625 Вт/г, при этом продолжительность воздействия составит 250 с до достижения температуры молока 57…58 ˚С.

- установка для обеззараживания молока комплексным воздействием физических факторов, содержащая цилиндрический экранирующий корпус с патрубками подачи и слива, внутри которого концентрически расположен цилиндрический объемный резонатор, нижнее основание которого перфорировано и состыковано с верхним основанием ультразвукового резервуара, при этом со стороны его нижнего основания вмонтированы пьезоэлектрические элементы ультразвукового генератора, причем через объемный резонатор, в горизонтальной плоскости проложена трубка из увиолевого стекла, внутри которой находится ультрафиолетовая лампа высокого давления, а торцы трубки заглушены накладками из ферромагнитного материала.

На фиг. 1 изображена схема установки для обеззараживания молока комплексным воздействием физических факторов: 1 - генераторный блок с излучателем; 2 - объемный резонатор; 3 - экранирующий корпус; 4 - лампа бактерицидного потока УФ лучей; 5 - трубка из увиолевого стекла; 6 - накладка экранирующая; 7 - перфорированное нижнее основание резонатора; 8 - ультразвуковой резервуар; 9 - пьезоэлектрические элементы УЗ генератора; 10 - патрубок для слива готовой продукции; 11 - молоко в ультразвуковом резервуаре и в объемном резонаторе; 12 - запредельный волновод - патрубок для подачи молока; 13 - вентиль.

На фиг. 2 изображена динамика нагрева молока при воздействии ЭМП СВЧ.

На фиг. 3 изображена динамика нагрева молока при воздействии ультразвуковых колебаний.

На фиг. 4 изображена динамика нагрева молока при комплексном воздействии физических факторов.

На фиг. 5 изображена номограмма для согласования конструктивно-технологических параметров установки для обеззараживания молока.

На фиг. 6 изображена сравнительная характеристика результатов исследования в ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в ЧР» микробиологических показателей молока от продолжительности воздействия электрофизических факторов (кроме контрольного образца). Ось ординат фиг. 6 представляет собой значения бактериальной обсемененности в КОЕ/см³, а ось абсцисс - образцы (пробы) исследуемого молока:

1 - контрольный образец - исходное молоко, не подвергнутое какому-либо воздействию;

2…8 - образцы, обеззараженные воздействием разных физических факторов, а именно:

2 - УФ излучением,

3 - УЗ колебаниями,

4 - комбинированным воздействием УФ излучений и УЗ колебаний,

5 - воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ),

6 - комбинированным воздействием ЭМПСВЧ и УФ излучений,

7 - комбинированным воздействием ЭМПСВЧ и УЗ колебаний,

8 - комбинированным воздействием ЭМПСВЧ, УЗ колебаний и УФ излучений, продолжительность воздействия - 150 с;

9 - комбинированным воздействием ЭМПСВЧ, УЗ колебаний и УФ излучений, продолжительность воздействия - 250 с;

10 - комбинированным воздействием ЭМПСВЧ, УЗ колебаний и УФ излучений, продолжительность воздействия - 350 с;

Сравнительная характеристика составлена на основании протоколов испытаний №988, 1009, 1049, 1050 ФБУ «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в ЧР», проведенных в четырехкратной повторности.

Установка для обеззараживания молока содержит источники электромагнитных излучений: СВЧ генераторный блок с излучателем, ультразвуковой генератор с пьезоэлектрическими элементами и лампу бактерицидного потока УФ лучей. Излучатель СВЧ генератора 1 направлен вовнутрь цилиндрического объемного резонатора 2, который коаксиально расположен в цилиндрическом экранирующем корпусе 3. Лампа бактерицидного потока УФ лучей 4 расположена внутри трубки из увиолевого стекла 5 и вмонтирована в объемный резонатор 2 в горизонтальной плоскости. Для предотвращения излучения наружу торцы трубки из увиолевого стекла 5, выходящие за пределы объемного резонатора 2, заглушены экранирующими накладками 6. Нижнее перфорированное основание объемного резонатора 7 состыковано с резервуаром 8, на днище которого с тыльной стороны закреплены пьезоэлектрические преобразователи 9 ультразвукового генератора и отведен патрубок 10 для слива обеззараженного молока 11. Патрубки слива 10 и подвода 12 соединены молокопроводом с вентилями 13.

Процесс обеззараживания молока осуществляется следующим образом. Открывается вентиль 13 и через патрубок подвода 12 в объемный резонатор 2 поступает молоко 11, начальная температура которого 10 ˚С. Строго соблюдая последовательность, включают сначала СВЧ генератор 1, а затем УЗ генератор 9. В установке в качестве источника УФ излучения может служить газоразрядная лампа 4 высокого давления ДРТ-240. За счет СВЧ генератора 1 в объемном резонаторе возникает электромагнитное поле, что вызывает эндогенный нагрев молока и возбуждает и поддерживает СВЧ разряд в газоразрядной лампе 4. Эффективность бактерицидного действия на молоко через увиолевое стекло 5 зависит от уровня напряженности электрического поля. За счет комплексного воздействия электромагнитного поля СВЧ и бактерицидного потока УФ лучей происходит снижение бактериальной обсемененности молока. Далее молоко вытекает через перфорацию 7 в нижнем основании объемного резонатора в резервуар 8 УЗ генератора с пьезоэктрическими преобразователями 9, где подвергается специфическому воздействию ультразвука и краевому потоку ЭМПСВЧ, позволяющему дополнительно снизить его бактериальную обсемененность. Специфическое действие ультразвуковых полей на молоко 11 обусловлено возникающими в нем процессами кавитации, а также макро- и микропотоками в объеме молока, прилегающего к излучаемой поверхности резервуара - нижнему основанию. Интенсификация процесса обеззараживания обеспечивается за счет турбулизации молока в процессе многократного перекачивания через рабочую камеру с помощью насоса и его кавитации в резервуаре УЗ генератора. При достижении температуры молока 57…58 ˚С необходимо открыть вентиль патрубка слива 10 и слить в резервуар-охладитель. За счет экранирующих корпуса 1 и накладок 6 около установки обеспечивается допустимый уровень потока мощности излучений СВЧ диапазона.

Геометрические параметры рабочей камеры определяются размерами объемного резонатора и ультразвукового резервуара. Диаметр объемного резонатора равен длине волны электромагнитного излучения СВЧ диапазона.

Номограмма для согласования технологических параметров установки с режимами работы представлена на фиг.5.

Номограмма представлена графиком зависимости общего микробного числа от продолжительности воздействия бактерицидным потоком УФ лучей (второй квадрант номограммы), графиком зависимости общего микробного числа от температуры (первый квадрант номограммы), графиком зависимости температуры от продолжительности воздействия электрофизических факторов (четвертый квадрант номограммы).

Данная номограмма представляет собой последовательность действий при регистрации экспериментальных и теоретических исследований. Снижение бактериальной обсемененности молока при его облучении в турбулентном режиме через молокопровод из увиолевого стекла происходит по экспоненциальному закону Б=4,7636·е^0,001τ.

Воздействие на молоко ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний в рабочей камере сопровождается тепловыделением в объеме продукта. Приращение температуры молока в объемном резонаторе СВЧ генератора составляет 41 ˚С. При истечении молока в УЗ резервуар происходит комплексное воздействие на молоко краевого потока мощности ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний. Общее приращение температуры молока в рабочей камере достигает 47…48 ˚С. Известно, что при кавитационном воздействии в молоке разрушаются коллоиды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии, поэтому микроорганизмы становятся уязвимыми перед последующими физическими воздействиями электромагнитных излучений. Оценка влияния кавитационной обработки молока в сочетании с воздействием бактерицидного потока УФ лучей на содержание КМАФАнМ показала, что после циклической обработки молока в разработанной установке количество микроорганизмов снизилось с 5,1·10⁶ до 1,8·10⁶ КОЕ/см³; при воздействии ЭМПСВЧ и ультразвуковых колебаний бактериальная обсемененность составила 0,9·10⁶ KOE/см³.

Обоснование режимов работы установки для обеззараживания молока проведено с учетом результатов исследования динамики нагрева сырья и оценки микробиологических показателей обработанного молока. При этом воспользовались матрицей планирования 3- факторного активного эксперимента 2³ и программным обеспечением «Statistic V5.0». В качестве основных факторов, влияющих на процесс обеззараживания молока, для исследования были выявлены: x₁ - удельная мощность СВЧ генератора, Вт/г; x_2, - продолжительность воздействия, с; х₃ - удельная мощность УЗ генератора, Вт/г.

Критериями оптимизации являлись: Y₁ - производительность установки, кг/ч; Y₂ - энергетические затраты на обеззараживание молока, кВт·ч/кг; Y₃ - приращение температуры молока, °C; Y₃ - общее микробное число в молоке, КОЕ/см³.

Выбор критериев оценки обусловлен их наибольшей значимостью для процесса обеззараживания молока. В результате статистической обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс обеззараживания молока под воздействием варьируемых факторов. Представлены двумерные сечения в изолиниях и поверхности отклика следующих моделей: производительность установки (фиг. 7); изменение бактериальной обсемененности в процессе обработки молока (фиг. 8); приращение температуры молока (фиг. 9); энергетические затраты на обеззараживание молока (фиг. 10).

Эффективные режимы работы установки достигаются при Р_{уд свч} = 4 Вт/г, Р_{уд уз}=0,625 Вт/г и мощности лампы УФ излучения 240 Вт. Общее приращение температуры молока в результате воздействия ЭМПСВЧ и УЗ колебаний - до 57…58 ˚С, снижение бактериальной обсемененности молока на два порядка.

Источники информации

1. Устройство для повышения эффективности микроволновых печей. МПК H05B 11/00, патент РФ №2355136 от 10.05.2009 г.

2. Устройство для комбинированной бактерицидной обработки жидкости. МПК A61L 2/00, патент РФ №2173561 от 20.09.2001.