способ создания центров зародышеобразования в пересыщенных растворах

Формула изобретения

Способ создания центров зародышеобразования в пересыщенных растворах, включающий обработку сред излучением, отличающийся тем, что в растворах создаются центры зародышеобразования воздействием лазерного излучения инфракрасного диапазона длиной волны 2 13 мкм с варьированием скорости уменьшения пересыщения раствора параметрами лазерного излучения интенсивностью 10^-2 10^-6 Вт/см², частотой повторения импульсов 80 1000 Гц, скважностью между импульсами и скоростью обрабатываемого потока 0,001 2,5 м³/ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к отраслям промышленности, в которых имеется необходимость получения центров зародышеобразования в пересыщенных растворах, в частности в пищевой промышленности при обработке сусел, соков, виноматериалов, концентратов, морсов, коктейлей, крюшонов, алкогольных и безалкогольных напитков, содержащих органические кислоты, с целью стабилизации их к кристаллическим помутнениям, в сахароварении, а также при очистке пересыщенных растворов сточных вод и в замкнутых технологических процессах в экологически чистом производстве, конденсации пересыщенного пара как в технологическом процессе, так и в воздушном океане атмосферы.

Известны способы получения центров зародышеобразования за счет понижения температуры, введения "затравки" кристалликов растворенного вещества или какой-либо механической примеси, которые являются центрами зарождения кристаллов (контактный метод). В этих случаях пересыщенный раствор теряет свою устойчивость и происходит спонтанная кристаллизация [1]

Недостатком известных способов является большая продолжительность обработки, трудоемкость и энергоемкость подготовительных работ и не всегда имеющий место положительный эффект. Многие растворы выдерживают большие пересыщения, находясь в переохлажденном состоянии в несколько десятков градусов из-за отсутствия центров зародышеобразования (кристаллизации).

Наиболее близким к заявляемому является способ обработки пищевых сред ультразвуковыми волнами [2]

Недостатком такого способа являются большая трудоемкость, необходимость длительной обработки продуктов при пониженной температуре, связанные с большими энергозатратами, применением высоких электрических напряжений, требующих дополнительных затрат по технике безопасности.

Задачей предлагаемого решения является уменьшение пересыщения, регулирование скорости этого процесса, снижение энергозатрат.

Поставленная задача решается тем, что в растворе создаются центры зародышеобразования воздействием лазерного излучения инфракрасного диапазона длиной волны от 2 до 13 мкм с варьированием скорости уменьшения пересыщения раствора параметрами лазерного излучения интенсивностью 10^-2-10^-6 Вт/см², частотой повторения импульсов 80-1000 Гц, скважностью между импульсами и скоростью обрабатываемого потока от 0,001 до 2,5 м³/ч.

Скважность между импульсами определяется в каждом конкретном эксперименте по уравнению: -t, где n частота повторения импульсов; t - длительность импульсов. В заявляемом способе скважность составляла 0,09.

Скорость уменьшения пересыщения характеризовали уменьшением плотности исследуемого раствора за время его кристаллизации.

Для уточнения параметров были проведены эксперименты на столовом виноматериале и модельной системе, представляющей собой смесь водно-спиртовых растворов виннокислого калия (кальция) и яблочно-кислого калия (кальция). Критериями качества процесса были остаточные концентрации калия или кальция в растворе, а также масса сформировавшихся осадков. Кроме того, процесс кристаллизации контролировали микроскопированием с характеристикой размера и качества кристаллов (табл. 1).

Анализ данных табл. 1 свидетельствует о том, что оптимальные результаты получены при интенсивности 10^-2-10^-6 Вт/см², частоте повторения импульсов 80-1000 Гц и скорости потока 0,001-2,5 м³/ч.

Изменение интенсивности или частоты повторения импульсов в ту или иную сторону уменьшает эффективность зародышеобразования, что приводит к меньшему удалению катионов калия и кальция из среды как при облучении столового вина, так и при обработке модельной среды.

Скорость потока обрабатываемой среды может меняться в широких пределах. Уменьшение ее менее 0,001 м³/ч снижает эффективность процесса, а увеличение уменьшает скорость зародышеобразования.

Приводимые ниже примеры исполнения способа осуществлены на стендовых установках (экспериментальные стенды), позволяющих реализовать приведенные параметры, но теоретическая интерпретация опытов подтвердила возможность применения излучения в пределах длин волн от 2 до 13 мкм и интенсивностях до 10⁶ Вт/см².

Выполнение предлагаемого способа иллюстрируется следующими примерами.

1. В рабочую ванну заливали пересыщенный раствор медного купороса с плотностью 1,26 г/см³ при 20^o С при плотности равновесного раствора при этой температуре 1,2 г/см³. Через открытую поверхность ванны пересыщенный раствор при непрерывном его перемешивании облучали с помощью СО₂ лазера в течение времени, определяемом массой обрабатываемого пересыщенного раствора и интенсивностью воздействующего излучения

,

где К коэффициент пропорциональности, зависящий от вида пересыщенного раствора в нашем опыте К=810^-4(Втч)/ (см³кг);

J интенсивность воздействующего излучения;

m масса обрабатываемого раствора;

Примеры 1а, 1б, 1в осуществляли на том же объекте исследования, изменяя параметры облучения (табл. 2)

2. В рабочую ванну заливали белый столовый виноматериал, представляющий собой пересыщенный раствор органических солей калия и кальция. При воздействии излучения СО₂ лазера длиной волны 10,6 мкм интенсивностью 10^-1 Вт/см² при частоте повторения импульсов 100 Гц при продолжительности каждого импульса 10^-5 с в растворе возникают центры зародышеобразования через 15-20 с с момента обработки. При воздействии излучения длиной волны 5,3 мкм интенсивностью 210^-4 Вт/см² при той же частоте и длительности импульса (вариант 2а) такие же центры зародышеобразования, но в большей концентрации, образуются через 1-2 с. Увеличение скорости потока до 2,5 м³/ч приводит к интенсивному зародышеобразованию в течение 1 ч (вариант 2в). Сравнивая полученные данные с применением заявляемого способа, прототипа и аналога (холод), можно отметить, что при использовании ультразвука и холода центры зародышеобразования создаются лишь через 2-3 суток.

3. При обработке пересыщенного раствора сахарозы излучением данной волны 5,3 мкм средней интенсивностью 210^-4 Вт/см² при частоте повторения импульсов 100 Гц при длительности каждого импульса 10^-5 с после 10-минутной (600 с) обработки создаются центры зародышеобразования. Изменение режимов в пределах, указанных в формуле изобретения (3а, 3б, 3в), способствует кристаллообразованию. Изменение параметров (3г) вне пределов, указанных в формуле, снижает эффективность процесса.

Для достижения положительного эффекта, аналогичного вар.3, 3а, 3б, 3в по существующим технологиям необходимо выпаривание при температуре 60-80^o С в течение 1-2 суток.

Предлагаемый способ в сравнении с прототипом имеет следующие преимущества:

ускоряется процесс создания центров зародышеобразования;

снижается трудоемкость за счет уменьшения объема подготовительных работ;

уменьшаются энергозатраты за счет ликвидации термических обработок.

Таким образом, в заявляемом способе лазерное излучение проявляет ранее неизвестное авторам качество инициирование центров зародышеобразования в пересыщенных растворах.

В настоящее время предлагаемый способ находится на стадии завершения экспериментальных исследований, поиска заказчика. Апробация технологии с целью дальнейшего внедрения предполагается в агрофирме "Центральная" НПО "Сады Кубани".