Способ обработки жидкости ультрафиолетовым излучением с регулируемой толщиной пленки в установках для обработки жидкости в тонком слое



Способ обработки жидкости ультрафиолетовым излучением с регулируемой толщиной пленки в установках для обработки жидкости в тонком слое
Способ обработки жидкости ультрафиолетовым излучением с регулируемой толщиной пленки в установках для обработки жидкости в тонком слое
Способ обработки жидкости ультрафиолетовым излучением с регулируемой толщиной пленки в установках для обработки жидкости в тонком слое

 


Владельцы патента RU 2607325:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)

Изобретение относится к пищевой промышленности. Согласно предложенному способу обеззараживание жидкого продукта с регулируемой толщиной пленки и облучением ультрафиолетовым излучением происходит внутри вертикального рабочего цилиндра, где формируется необходимая толщина пленки стекающей жидкости, определяющая его расход. При этом согласуются оптические характеристики излучателя и приемника, а источник ультрафиолетового излучения позволяет обеззараживать жидкий продукт по всей толщине слоя. Данный способ существенно повышает качество обработки жидкого продукта при значительном снижении расхода энергии. 3 ил., 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к технологиям обработки жидкостей и жидких пищевых продуктов (молоко, соки и др.) сельскохозяйственной и пищевой промышленности с целью обеззараживания продукта и обеспечения длительной сохранности.

Известны ультрафиолетовые (УФ) установки обеззараживания воды. Бактерицидные лампы помещены в кварцевые трубки, находящиеся внутри цилиндра, по которому протекает вода. Существует конструкция установок с центральной кварцевой трубой (по которой протекает вода) и установленными по периметру бактерицидными лампами (http://sentech-medical.ru/s_products.).

Известна также установка для обработки жидкости инфракрасным и ультрафиолетовым излучением в тонком слое (патент №2386374, 20.04.2010. Бюл. №11).

Недостатком вышеперечисленных способов является то, что обработка жидкого продукта происходит в фиксированном слое. Эффективность обеззараживания жидкости зависит от оптических свойств материала, характеризующихся пропускной, поглощательной и отражательной способностью. Для разных жидкостей оптические характеристики меняются в значительной степени.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ обработки жидкости инфракрасным излучением в тонком слое (пат. №2083140, 10.07.1997), в котором тонкослойный поток продукта, проходит по внутренней поверхности вертикального рабочего цилиндра и обеспечивают попадание излучения на открытую поверхность тонкослойного потока, при этом формирование тонкого слоя производят таким образом, чтобы его толщина находилась в пределах 0.25…5 мм с длиной волны в диапазоне 1…5 мкм инфракрасного излучения.

Недостатком данного способа является высокая энергоемкость процесса, связанная с необходимостью создания высокой плотности теплового потока инфракрасного излучения в интервале 3…10 Вт/см2, при этом установленная мощность установки достигает значений порядка 10-12 кВт при производительности 1000 л/час. (Методические рекомендации по расчету установок для электротермической обработки жидких сред. ВИЭСХ. М., 1979).

Задачей предлагаемого изобретения является снижение энергоемкости процесса обработки жидкости.

В результате использования предлагаемого способа появляется возможность значительно уменьшить энергозатраты и обеспечить необходимое качество его обработки для длительной сохранности и безопасности.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что на обрабатываемый жидкий продукт воздействуют ультрафиолетовым излучением в диапазоне 200…400 нм, при этом расходом жидкости внутри вертикального рабочего цилиндра формируют толщину обрабатываемого слоя δ, не превышающую значения, которое определяют по условию δ<δмакс= -ln(Нминмакс)/μ или δ<δмакс=2.3/μ, при этом отношение Нминмакс выражает допустимое снижение дозы облучения конкретной жидкости, а соотношение δмакс=2.3/μ определяет снижение интенсивности излучения Е/Е0=0,1 при прохождении слоя жидкого продукта толщиной δ [м] и коэффициентом μ [м-1] - показателем поглощения излучения, для этого регулируют расход жидкости внутри вертикального рабочего цилиндра, причем толщина пленки и расход определяют соотношением δ=(3⋅ζ,/ρ2⋅g)1/3⋅(1/πD)1/3⋅G1//3, которое выражает связь между расходом G [кг/с] и толщиной обрабатываемого слоя δ [м], диаметром рабочего цилиндра D [м] и физическими свойствами жидкого продукта - плотностью ρ [кг/м3] и динамическим коэффициентом вязкости ζ [кг⋅с/м], при этом максимальную дозу облучения определяют по выражению , причем если задана предельная доза облучения для конкретного продукта Ндоп.макс, то должно выполняться условие Нмаксдоп.макс, а мощность ультрафиолетового источника излучения Р [Вт] определяют по выражению , определяющему зависимость мощности источника излучения от минимальной энергетической экспозиции или дозы облучения Нмин [Дж/м2], плотности ρ [кг/м3], динамического коэффициента вязкости ζ [кг с/м], диаметра рабочего цилиндра D [м], толщины пленки жидкости δ [м-1] и коэффициента η - значение преобразованной энергии источника излучения в полезную энергию ультрафиолетового излучения.

Воздействие УФИ (ультрафиолетовое излучение) на обрабатываемый продукт должно находиться в определенном диапазоне спектра (длин волн), строго дозироваться для обеспечения воздействия на микрофлору (бактериальную среду) с целью создания продукта с заданной степенью биологической чистоты.

Эффективность обработки жидкости зависит от дозы облучения. Поверхностная доза облучения элементарного объема потока жидкости, проходящего в камере обработки,

где δx - толщина пленки жидкости в сечении х, Е(δх) - поверхностная доза облучения элементарного объема в сечении х, Вт/м2.

Предельные дозы облучения элементарного объема жидкости на поверхности пленки и в толщине в зависимости от условия течения определяют соотношением

где Н - доза облучения (экспозиция) Дж/м2, Нмин - минимальное значение дозы облучения слоя жидкости при максимальной величине δ, Нмакс - максимальное значение дозы облучения слоя жидкости на поверхности слоя, Ндоп.макс - допустимое максимальное значение дозы облучения, Дж/м2, t - время нахождения элементарного объема в зоне обработки.

Для конкретного жидкого продукта предельные нормы доз облучения Нмин и Ндопмакс известны или определяются экспериментально.

Снижение интенсивности облученности в среде описывается законом Бунзена-Роско: Е=Е0е-μδ,

где μ - показатель поглощения, м-1, Е0 - интенсивность излучения на поверхности слоя, Вт/м2.

Максимальную допустимую толщину δмакс определяют из соотношения:

Нминдопмаксминмакс, при этом должны быть выполнены условия:

δмакс=-ln(Нминдопмакс)/μ>-ln(Нминмакс)/μ~-ln(Е/Е0)/μ или

δмакс=2.3/μ при Е/Е0=0.1.

Целью настоящего изобретения является формирование в установке тонкой пленки δ≤δмакс по всему обрабатываемому объему, причем толщина δ для конкретного жидкого продукта определяется его оптическими характеристиками - μ - показатель поглощения. На проходящий поток воздействуют УФ-излучением в диапазоне 200…400 нм, при этом соблюдают соотношение , обеспечивающее создание среды с заданной степенью биологической чистоты.

Способ обеззараживания жидкости ультрафиолетовым излучением с регулируемым толщиной пленки осуществляют следующим образом. Обработку жидкости производят ультрафиолетовым излучением, при этом согласуют оптические характеристики приемника и источника излучения за счет регулирования расхода. Толщина пленки стекающей жидкости зависит от расхода G и для вертикальной цилиндрической поверхности определяется выражением δ~(3ζ/pρ2)l/3(G)1/3 (Методические рекомендации по расчету установок для электротермической обработки жидких сред. ВИЭСХ. М. 1979. Ю.М. Тананайко, Е.Г. Воронцов. Методы расчета и исследования пленочных процессов. Из-во «Технiка». Киев - 1975), здесь: p=πD - смоченный периметр вертикальной стенки, D - диаметр цилиндра [м]; ρ - плотность жидкого продукта [кг/м3]; G - расход [кг/с]; ζ - динамический коэффициент вязкости [кг⋅с/м2]. Жидкость или жидкий пищевой продукт (молоко, соки и др.) направляют на внутреннюю стенку вертикального рабочего цилиндра и равномерно распределяют по его поверхности. За счет регулирования расхода формируют необходимую толщину слоя стекающей жидкости δ=(3ζ/рρ2)1/3(G)1/3≤δмакс= -ln(Нминмакс)/μ или δ≤δмакс=2.3/μ. Воздействие УФ-излучения при соблюдении условия приводит к дезинфекции всей толщины слоя стекающей жидкости, чем создаются условия для ликвидации микрофлоры, не оказывает деструктивных изменений в продукте и обеспечивает его консервацию, при этом снижается энергоемкость процесса.

Пример осуществления способа

Жидкий пищевой продукт - предельное значение проникновения излучения δмакс=0.01 см (молоко), 0.02 см - 0.05 см (соки) (по данным источника http://sentech-medical.ru). На графике (рис. 1) приведены расчетные значения средней толщины пленки δ [м] в зависимости от расхода жидкости G [м3/c], и для значений ζ=102.4⋅10-6 Па⋅с, ρ=1000 кг/м3, р=π⋅D, по выражению

δ=(3⋅ζ/ρ2⋅g)1/3⋅(1/p)l/3⋅Gl//3

где ζ - коэффициент динамической вязкости, Па⋅с (для t=20°С, μ=102.4⋅10-6 Па⋅с); ρ - плотность жидкости; g=9.81 м/с2; р=π⋅D - смоченный периметр, D - диаметр цилиндрической поверхности, м (D=0.1); G - секундный расход жидкости, кг/с.

Предельным значениям δмакс=0.0001 м соответствует максимальный расход Gмакс=0.010027⋅3600=36 л/час, δмакс=0.0002 м; расход равен Gмакс=0.080217⋅3600=288 л/час, δ=0.0003 м, расход; G=0.27⋅3600=4500 л/час.

Максимальная мощность источника излучения

P=(1/3)⋅(ρ⋅g/ζ)⋅πD⋅10δ/δмакс Hmin⋅δ2⋅(1/η),

где Нмин - доза облучения, необходимая для инактивации 99,9% микроорганизмов (табл. 1), Дж/м2, η - коэффициент преобразовании энергии в полезную У ФИ (0.35-0.40).

Для δ=δмакс=0.01 см при расходе Gмакс=36 л/час, Нмин=10 Дж/м2

Р=29 Вт

Для δ=δмакс=0.02 см при расходе Gмакс=288 л/час, Нмин=10 Дж/м2

Р=115 Вт

Для δ=0.03 см, δмакс=0.05 см при расходе G=970 л/час, Нмин=10 Дж/м2

Р=103 Вт.

Минимальные значения дозы облучения для инактивации 99,9% микроорганизмов

Способ обеззараживания жидкости ультрафиолетовым излучением с регулируемой толщиной пленки в установках для обработки жидкости в тонком слое, отличающийся тем, что на обрабатываемый жидкий продукт воздействуют ультрафиолетовым излучением в диапазоне 200…400 нм, при этом расходом жидкости внутри вертикального рабочего цилиндра формируют толщину обрабатываемого слоя δ, не превышающую значения, которое определяют по условию δ<δмакс= -ln(Нминмакс)/μ или δ<δмакс=2.3/μ, при этом отношение Нминмакс выражает допустимое снижение дозы облучения конкретной жидкости, а соотношение δмакс=2.3/μ определяет снижение интенсивности излучения Е/Е0=0,1 при прохождении слоя жидкого продукта толщиной δ [м] и коэффициентом μ [м-1] - показателем поглощения излучения, для этого регулируют расход жидкости внутри вертикального рабочего цилиндра, причем толщина пленки и расход определяют соотношением δ=(3⋅ζ/ρ2⋅g)1/3⋅(1/πD)1/3⋅G1//3, которое выражает связь между расходом G [кг/c] и толщиной обрабатываемого слоя δ [м], диаметром рабочего цилиндра D [м] и физическими свойствами жидкого продукта - плотностью ρ [кг/м3] и динамическим коэффициентом вязкости ζ [кг·с/м], при этом максимальную дозу облучения определяют по выражению , причем если задана предельная доза облучения для конкретного продукта Ндоп.макс, то должно выполняться условие Нмаксдоп.макс, а мощность ультрафиолетового источника излучения Р [Вт] определяют по выражению , определяющему зависимость мощности источника излучения от минимальной энергетической экспозиции или дозы облучения Нмин [Дж/м2], плотности ρ [кг/м3], динамического коэффициента вязкости ζ [кг с/м], диаметра рабочего цилиндра D [м], толщины пленки жидкости δ [м-1] и коэффициента η - значение преобразованной энергии источника излучения в полезную энергию ультрафиолетового излучения.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии производства хлебного кваса. Способ получения хлебного кваса включает подготовку рецептурных компонентов, затирание квасных хлебцев с горячей водой и трехкратное настаивание с отделением жидкой фазы от гущи с получением квасного сусла, добавление к нему 25% рецептурного количества сахара в виде белого сиропа, сбраживание комбинированной закваской квасных дрожжей рас M и С-2 и молочнокислых бактерий рас 11 и 13, купажирование с оставшейся частью сахара в виде белого сиропа и розлив.

Изобретение относится к производству питьевой воды, в том числе фасованной в емкости, бутыли или пакеты различной вместимости. Способ предусматривает забор глубинной воды из озера Байкал, ее фильтрацию и предварительную стерилизацию УФ-облучением, при этом одну часть глубинной воды насыщают озоном, а другую - пищевым газом под давлением.

Заявленное устройство для обработки жидкости высоким давлением включает камеру высокого давления, образованную корпусом с поршнем, который опирается на плунжер с каналом для подачи среды, перемещающей плунжер с одной стороны, и ограниченную плунжером с противоположной стороны, обеспечивающим соединение камеры высокого давления с каналом подачи/слива обработанной жидкости в выдвинутом положении.

Изобретение относится к молочной промышленности. Молоко обеззараживают облучением в непрерывном потоке при толщине слоя 3-5 см со скоростью 4-5 см/с при последовательном облучении ультрафиолетовыми и инфракрасными лучами в течение 20-50 мин при высоте облучателя над поверхностью молока 30-35 см.

Изобретение относится к области пищевой промышленности и предназначено для получения Байкальской питьевой воды. Способ включает забор глубинной воды из озера Байкал, ее фильтрацию, стерилизацию, розлив в емкость и укупорку.

Изобретение относится к сфере биологического обеззараживания твердых, жидких и газообразных продуктов, предназначенных для использования в различных областях жизнедеятельности человека, животных и растений, предпочтительно в бытовых условиях и на малых предприятиях.

Изобретение относится к перерабатывающей линии для производства пищевых продуктов, таких, например, как колбаса, ветчина или сыр. .

Изобретение относится к области бактерицидной обработки жидких сред и может быть использовано в пищевой, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к молочной промышленности и может быть использовано для поточной стерилизации молока на молокозаводах, а также для периодической стерилизации небольших партий молока непосредственно на молочных фермах.
Наверх