Способ и устройство для обработки жидкостей и текучих продуктов

 

Изобретение предназначено для обработки жидкостей и текучих продуктов, которые служат питательной средой для микроорганизмов (биологических жидкостей), в том числе молока, вин, соков, сточных вод, а также медицинских и косметических препаратов, содержащих микроорганизмы. Способ обработки жидкости предусматривает воздействие на жидкость импульсами электромагнитного поля, длительность каждого из которых менее 10^-7 с, с амплитудой напряженности электрического поля в жидкости более 10⁷ В/м. Предусмотрена, по крайней мере, одна обработка излучением искрового разряда. Устройство содержит генератор высоковольтных импульсов с коммутатором, систему полеобразования, включающую рабочую камеру, систему контроля и регулирования параметров обработки, систему подачи и отвода обрабатываемой жидкости, искровой разрядник. Последний совмещен с коммутатором генератора высоковольтных импульсов. Имеется, по крайней мере, одна проточная кювета. Она размещена в зоне действия излучения от искрового разрядника. Часть кюветы, обращенная в сторону искрового разрядника, выполнена из материала, прозрачного для излучения искрового разряда. Изобретение позволяет повысить эффективность инактивации микроорганизмов совместным воздействием электрического поля высокой напряженности и излучения искрового разряда и увеличить сроки хранения обработанной жидкости при неизменности ее органолептических свойств, биологической ценности и затрат энергии. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Группа изобретений относится к способу и устройству для обработки жидкостей и текучих продуктов, которые служат питательной средой для микроорганизмов (биологических жидкостей), в том числе молока, вин, соков, сточных вод, а также медицинских и косметических препаратов, содержащих микроорганизмы. Изобретения могут найти применение в различных областях промышленности, связанных с результатами жизнедеятельности микроорганизмов, для обеззараживания и увеличения срока хранения продуктов при сохранении и даже улучшении их свойств.

Наиболее широко применяемые в практике способы инактивации микроорганизмов путем нагревания продукта, их содержащего, имеют общий существенный недостаток: высокая температура, помимо ослабления болезнетворной и ферментной активности микроорганизмов, приводит также к разрушению ферментов, белков и прочих активных веществ, находящихся в этих биологических жидкостях и определяющих их пищевую и биологическую ценность, органолептические свойства.

Поэтому в настоящее время исследуются другие способы инактивации микроорганизмов в биологических жидкостях и прежде всего воздействие на эти жидкости электромагнитными полями. Последнее обусловлено тем, что эти жидкости представляют собой дисперсные системы с электрически заряженными частицами, которые эффективно взаимодействуют с внешним электромагнитным полем.

Основными преимуществами технологий с использованием электромагнитных полей являются универсальность и экономичность. Благодаря прямому воздействию на объект происходит структурное разрушение микроорганизмов или нарушение их функционирования.

Известны способ и устройство обработки жидкостей и текучих продуктов, описанные в заявке WO 90 n/15 547 (публ. 27.12.90, 5 М.кл. A 23 L 3/32, пр. США 365082 от 12.06.89). Способ состоит в воздействии на биологическую жидкость импульсных электрических полей с напряженностью не менее 25000 В/см и частотой, по меньшей мере, 0,01 имп./с.

Устройство для обработки жидкости содержит генератор высоковольтных импульсов и систему полеобразования в виде рабочей камеры, а также системы контроля и регулирования параметров обработки и систему подачи и отвода жидкости.

Недостатком этого технического решения является то, что оно не позволяет сохранить исходное качество продукта вследствие длительного воздействия каждого импульса.

Из известных способов обработки жидкостей наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, описанный в патенте RU 2085508 (6 M.кл. C 02 F 1/48, пр. 09.08.94). Он включает обработку жидкостей и текучих продуктов импульсами электромагнитного поля. Длительность каждого импульса менее 10^-7 с, а амплитуда напряженности электрического поля в жидкости составляет более 10⁷ В/м.

Устройство, позволяющее осуществить указанный способ, содержит генератор высоковольтных импульсов с коммутатором, систему полеобразования в виде, по крайней мере, одной рабочей камеры, систему контроля и регулирования параметров обработки, а также систему подачи и отвода обрабатываемой жидкости. В качестве источника высоковольтных импульсов и рабочей камеры могут быть использованы известные устройства, например, в качестве рабочей камеры - устройство, описанное в заявке UA 98020629 (пр.05.02.1998, она же заявка RU 99101038/13(000954) от 18.01.1999, пол. реш. 15.03.2000, 7 М.кл. А 23 L 3/32, С 02 F 1/48).

По сравнению с группой изобретений, упомянутых как аналоги, описанные выше способ и устройство позволяют повысить степень обработки продуктов, увеличить сроки их хранения, сохранить и даже улучшить их исходные качества. Указанный эффект обеспечивается реализацией нового механизма инактивирующего действия на микроорганизмы и активирующего действия на молекулы, возникающего как результат выбора характеристик обрабатывающих импульсов. Однако степень обработки недостаточна. К тому же, энергия излучения искрового разряда не используется.

В основу группы изобретений поставлена задача создания способа и устройства для обработки жидкостей, в которых повышение эффективности уничтожения микроорганизмов обеспечивается совместным воздействием различных механизмов инактивации (комплексным характером обработки) и за счет этого увеличиваются сроки хранения обработанной жидкости при неизменности ее органолептических свойств, биологической ценности и затрат энергии.

Указанная задача решается тем, что в способе обработки жидкости, включающем воздействие на жидкость импульсами электромагнитного поля, длительность каждого из которых менее 10^-7с, а амплитуда напряженности электрического поля в жидкости составляет более 10⁷В/м, в соответствии с изобретением введена, по крайней мере, одна обработка излучением искрового разряда.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для обработки жидкостей и текучих продуктов, содержащем генератор высоковольтных импульсов с коммутатором, систему полеобразования в виде рабочей камеры, систему контроля и регулирования параметров обработки, а также систему подачи и отвода обрабатываемой жидкости, в соответствии с изобретением введены искровой разрядник, совмещенный с коммутатором генератора высоковольтных импульсов, и, по крайней мере, одна проточная кювета, размещенная в зоне действия излучения от искрового разрядника, при этом часть кюветы, обращенная в сторону искрового разрядника, выполнена из материала, прозрачного для излучения искрового разряда.

Проточная кювета может быть установлена до рабочей камеры по ходу движения жидкости.

Проточная кювета может быть установлена после рабочей камеры по ходу движения жидкости.

Введение обработки продукта излучением искрового разряда позволяет эффективно воздействовать на большее число видов разнообразных микроорганизмов, чем в прототипе, благодаря широкополосности этого излучения (в том числе инфракрасного и ультрафиолетового, бактерицидные эффекты которых известны), а двухэтапное воздействие способа является причиной его высокой эффективности. Наличие комплексной обработки жидкости включает разные механизмы воздействия на микроорганизмы: как их структурное разрушение, так и нарушение функционирования как единого живого целого.

Введение новых элементов с новыми функциональными связями (проточная кювета, ее установка в зоне воздействия излучения искрового разрядника, совмещение искрового разрядника с коммутатором генератора высоковольтных импульсов) позволяет комплексно использовать воздействие, выдаваемое одним и тем же источником электромагнитных импульсов.

Технические решения, положенные в основу способа и устройства, являются идеологическим и конструктивным выражением одного и того же изобретательского замысла, направлены на решение одной и той же задачи и не могут быть использованы одно без другого.

Заявителю не известны примеры комплексного использования излучения искрового разряда и импульсного электрического поля высокой напряженности для обработки биологических жидкостей. Воздействие электрического поля высокой напряженности на органеллы и мембраны клеток вызывает их конформационные и другие изменения и обеспечивают более легкую инактивацию микроорганизмов излучением искрового разряда (комплексный эффект).

Заявителю известно использование искрового разряда для обеззараживания пищевых продуктов в техническом решении, описанном авторским свидетельством СССР 820007 (A 23 L 3/32, А 23 К 1/00, 1/10, пр. 02.09.79). Однако в указанном решении основным действующим фактором является не излучение искрового разряда, а гидравлический удар, возникающий в воде в результате высоковольтных электрических разрядов. Вода является вспомогательной жидкостью. В процессе рециркуляции продукта через зону высоковольтных электрических искровых разрядов осуществляется его обеззараживание. При этом все условия направлены на достижение максимальной эффективности именно гидравлического удара (конфигурация камеры, скорость разряда и т.д.), а следовательно, излучение искрового разряда, хотя и присутствует, но быстро затухает в приэлектродных слоях вспомогательной жидкости, а не пронизывает весь объем обрабатываемого продукта.

Что касается заявляемого устройства, помимо неизвестных признаков, предопределенных новизной способа обработки жидкостей, оно обеспечивает также возможность исключить зоны сосредоточения бесполезных энергетических затрат, совместив в одном искровом разряднике функции коммутации и облучения. Изобретение позволяет также исключить усложнение устройства, которое обязательно возникло бы при использовании отдельного искрового разрядника, поскольку в его системе питания возникла бы необходимость использования другого генератора импульсов напряжения, синхронизированного с первым.

Примеры выполнения данной группы изобретений иллюстрируются чертежами, на которых изображены фиг. 1 - устройство для обработки жидкостей в случае с одной проточной кюветой; фиг.2 - то же, в случае с двумя проточными кюветами; фиг.3 - общий вид проточной кюветы, продольный разрез.

В дальнейшем изложении изобретения описываются в деталях, приведенных для данного конкретного примера реализации способа и устройства.

Устройство для обработки жидкостей содержит генератор высоковольтных импульсов 1 с многоканальным искровым разрядником 2, а также рабочую камеру 3. Устройство включает систему контроля и регулирования параметров обработки и систему подачи и отвода обрабатываемой жидкости (на чертеже не показаны). Вблизи разрядника 2 в зоне взаимодействия с излучением искрового разряда размещена проточная кювета 4 с входным и выходным патрубками 5, 6 соответственно, а также с прозрачным для излучения искрового разряда окном 7. Высота кюветы 4, определяющая толщину слоя протекающей жидкости, выбирается такой, чтобы она была не более эффективной глубины проникновения излучения от искрового разряда. Внутренняя поверхность кюветы 4, расположенная напротив окна 7, может быть выполнена с возможностью отражения излучения. В этом случае прошедшее через обрабатываемую жидкость излучение искрового разрядника отражается снова в жидкость, увеличивая инактивирующий эффект. Трубопроводы системы подачи и отвода жидкости могут быть подключены таким образом, что первой по ходу жидкости окажется рабочая камера 3 (вариант 1) (фиг.1) или проточная кювета 4 (вариант 2). Возможно также наличие двух проточных кювет 4 - до и после рабочей камеры 3 (вариант 3) (фиг.2).

Устройство работает следующим образом. Импульсы напряжения, формируемые генератором высоковольтных импульсов 1, поступают на электроды рабочей камеры 3. Одновременно система подачи жидкости направляет обрабатываемую биологическую жидкость через рабочую камеру 3 с таким расходом, чтобы каждый единичный объем продукта подвергался воздействию, по меньшей мере, одного импульса электромагнитного поля во время транспортировки через камеру 3. В камере 3 микроорганизмы подвергаются инактивации за счет воздействия импульсного электромагнитного поля. Затем обрабатываемая жидкость попадает в проточную кювету 4, где оказывается под воздействием излучения искрового разрядника 2 (вариант 1). В других вариантах исполнения устройства последовательность обработки меняется (вариант 2) или дополняется (вариант 3). Время воздействия излучения от искрового разрядника на обрабатываемую жидкость в кювете 4 может быть существенно больше, чем время воздействия электромагнитного поля в рабочей камере 3. С этой целью канал прохождения обрабатываемой жидкости в кювете может быть значительно удлинен для увеличения времени пребывания обрабатываемой жидкости в зоне облучения и выполнен, например, в виде "змейки", лежащей в одной плоскости (фиг.3). После всех ступеней обработки продукт отводится и, в случае необходимости, упаковывается в стерильных условиях.

Проведенные эксперименты показали эффективность совместного воздействия электрического поля высокой напряженности и излучения искрового разряда. Прошедшее подобную обработку молоко не только не портится в течение 10 дней, но и сохраняет вкус, запах и цвет свежего.

Преимущество группы изобретений состоит в том, что она позволяет получать синергический эффект, комплексно решая задачу обработки и осуществляя как структурное разрушение микроорганизмов за счет воздействия электрического поля высокой напряженности в наносекундном диапазоне, так и нарушение их функционирования за счет действия широкополосного излучения искрового разряда. Воздействие указанного электрического поля сопровождается также повышением давления в рабочей камере и быстрым нагревом до температур, меньших, чем при тепловой обработке, что вызывает дополнительное инактивирующее действие на микроорганизмы.

Следует отметить, что в соответствии с изобретением оба вида воздействия осуществляются без дополнительных затрат энергии за счет не использованных прежде ресурсов устройства.

Формула изобретения

1. Способ обработки жидкостей и текучих продуктов, включающий воздействие на жидкость импульсами электромагнитного поля с длительностью каждого менее 10^-7 с и амплитудой напряженности электрического поля в жидкости более 10⁷ В/м, отличающийся тем, что введена, по крайней мере, одна обработка излучением искрового разряда.

2. Устройство для обработки жидкостей и текучих продуктов, содержащее генератор высоковольтных импульсов с коммутатором, систему полеобразования в виде рабочей камеры, систему контроля и регулирования параметров обработки, а также систему подачи и отвода обрабатываемой жидкости, отличающееся тем, что введены искровой разрядник, совмещенный с коммутатором генератора высоковольтных импульсов, и, по крайней мере, одна проточная кювета, размещенная в зоне действия излучения от искрового разрядника, при этом часть кюветы, обращенная в сторону искрового разрядника, выполнена из материала, прозрачного для излучения искрового разряда.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что проточная кювета установлена до рабочей камеры по ходу движения жидкости.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что проточная кювета установлена после рабочей камеры по ходу движения жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3