способ обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов

Формула изобретения

Способ обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов, включающий обработку импульсами электромагнитного поля, отличающийся тем, что длительность каждого импульса менее 10^-7 с, а амплитуда напряженности электрического поля в жидкостях и жидкотекучих продуктах составляет более 10^-7 В/м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пищевой промышленности, к обработке сельскохозяйственной продукции, в частности к способам обработки молока и молочных продуктов, вина, виноматериалов, пива, алкогольных и безалкогольных напитков, соков и т.д. к области обработки различных вакцин и других жидкотекучих медикаментов в фармацевтической промышленности, а также к области обработки питьевых и сточных вод и других жидкостей импульсами электромагнитного поля. Изобретение может найти применение также в химической, энергетической, строительной и других отраслях промышленности для обеззараживания, сохранения или улучшения свойств, качеств жидкостей и жидкотекучих продуктов.

Известен способ тепловой обработки пищевых продуктов [1] Он заключается в том, что продукт подвергают поверхностному охлаждению. Охлаждение ведут теплоносителем, температуру которого постепенно понижают от 90 до 50^oC. Теплоносителем является вода или воздух. Затем продукт подвергают воздействию электромагнитного поля, в результате чего происходит его тепловая обработка. Температура жидкости в зоне электромагнитного поля постепенно увеличивается по направлению движения продукта и достигает 132^oC. В конце процесса нагрева электромагнитным полем получают по существу одинаковую температуру как наружных, так и внутренних слоев продукта.

Однако, недостатком этого способа является то, что единственным физическим фактором, осуществляющим собственно обработку продукта, является высокая температура (температура стерилизации или пастеризации), достигаемая посредством нагрева; электромагнитное поле в качестве еще одного физического фактора, однонаправленного с высокой температурой и осуществляющего обработку продукта (например частичную стерилизацию), не используется и не может быть использовано при данном характере воздействия. Вследствие этого ухудшаются качества продуктов (происходит денатурация и коагуляция белков, уменьшается количество и активность витаминов и других). Следует также сказать, что при использовании этого способа пропорционально качеству обработки велики энергозатраты.

Известен способ обработки жидкостей, описанный в [2] Он включает обработку жидкостей, в которых находятся бактерии (E.coli K12), электрическими импульсами с напряженностью электрического поля не более (6-20) кВ/см. Время обработки лежит в пределах (1,08-36) мкс. При этом соблюдается соотношение:



где S коэффициент выживания микроорганизмов;

t время обработки (t>t_c);

t_c критическое значение времени обработки, при котором коэффициент выживания еще равен единице;

E максимальное значение напряженности электрического поля (E>E_c);

E_c критическое значение напряженности электрического поля, при котором коэффициент выживания еще равен единице (100%-ное выживание микроорганизмов);

k константа.

Из соотношения (1) следует, что большие времена обработки менее эффективны, чем высокие максимальные значения напряженности электрического поля.

Показано, что нет корреляции между коэффициентом выживания и приложенной электрической энергией. В качестве эффекта, участвующего в летальном воздействии на клетку, рассматривается диэлектрический пробой клеточных мембран, в результате которого изменяются электрические свойства мембран, хотя проверка при помощи микроскопии не выявила видимых повреждений клеточных мембран. Однако, недостатком указанного способа является то, что он не обеспечивает высокой степени обработки.

Наиболее близким по сути и достигаемому результату является способ обработки жидкости и жидкотекучих продуктов, являющихся микробиологической питательной средой, описанной в [3]

Он заключается в том, что жидкотекучий продукт обрабатывают рядом импульсов электрического поля и тока через весь продукт. Каждый из указанного ряда импульсов имеет напряженность по крайней мере (не менее) 510⁵ В/м, а плотность тока не менее 510⁴ А/м² при длительности в диапазоне от 1 до 100 мкс (от 10^-6 до 10^-4 с). Нагревают жидкотекучий продукт до температуры обработки не менее 45^oC. Весь жидкотекучий пищевой продукт подвергают воздействию по крайней мере одного из указанных импульсов сильного электрического поля при температуре не менее 45^oC. Далее обработанный импульсным электрическим полем продукт помещают и хранят (поддерживают) в высокой степени стерильных условиях, упаковывают и в результате получают продукт, имеющий увеличенный срок хранения.

Жидкотекучий пищевой продукт, обработанный указанным импульсным электрическим полем, может быть охлажден до температуры не более 10^oC в течение 30 мин после обработки.

Продукт может быть подвергнут дегазации посредством вакуумирования по крайней мере в одной дегазационной зоне на пути следования по крайней мере через одну из зон обработки.

Недостатками данного способа является низкая степень обработки и недостаточный срок хранения продукта. Более того, используемые в этом способе длительности импульсного электрического поля (1-100 мкс) не позволяют в достаточной степени сохранить исходные качества продукта (например при металлических электродах, между которыми образуется электрическое поле, имеет место явление электролиза).

Согласно данному способу внешнее импульсное электрическое поле может индуцировать наложенный трансмембранный потенциал, который вызовет необратимое увеличение мембранной проницаемости после превышения электрическим полем критического значения. Это, в свою очередь, приведет к изменению и потере содержимого клетки, к биологическому рассасыванию клетки и необратимому ее разрушению.

В основу изобретения поставлена задача создания способа обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов, в котором более высокая степень обработки обеспечивается реализацией нового механизма инактивирующего действия на микроорганизмы и активирующего действия на молекулы. За счет этого увеличиваются сроки хранения обработанных продуктов, сохраняются или даже улучшаются их исходные качества. Кроме того, при требуемой степени обработки уменьшаются удельные энергозатраты, а, значит, и стоимость обработки.

Указанная задача решается тем, что в способе обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов, включающем обработку импульсами электромагнитного поля, в соответствии с изобретением, длительность каждого импульса составляет менее 10^-7 с, а амплитуда напряженности электрического поля в жидкости более 10⁷ В/м.

Выбранная амплитуда импульсов позволяет принципиально изменить механизм воздействия на жидкости и жидкотекучие продукты, на находящиеся в них микроорганизмы, сделав механизм воздействия существенно более эффективным и менее энергоемким. Принципиальным здесь является то, что поля с напряженностями более 10⁷ В/м, с одной стороны, не просто соизмеримы с напряженностями электрического поля мембран клеток, составляющими примерно 10⁷ В/м, а могут быть больше, и существенно больше напряженности полей клеточных мембран. С другой стороны, в жидкостях и жидкотекучих продуктах при таких полях (10⁷ В/м) резко возрастает доля электронной электропроводности по отношению к ионной, и электронная электропроводность может стать определяющей. При этом между обрабатываемым объектом (продуктом), с одной стороны, и металлическими электродами (если они используются), с другой стороны, происходит обмен в основном одинаковыми по физической природе носителями заряда электронами. За счет этого устраняется электролиз, сохраняются исходные качества продукта. Кроме того, электронная проводимость для жидкостей, в отличие от газа, характеризуется явлением "прилипания" электронов проводимости к молекулам жидкости, что может изменить кинетику биохимических реакций в микроорганизмах, поскольку последние представляют собой жидкостные объекты, активировать молекулы жидкости, изменить граничные условия на мембранах клеток. В импульсных полях с напряженностью, превышающей 10⁷ В/м, достаточное количество электронов может набрать энергию упорядоченного движения W_e=eEl (где e заряд электронов, E - напряженность поля, l длина свободного пробега с учетом туннельного эффекта), соизмеримую или превышающую как среднюю тепловую энергию W_T=kT (где k постоянная Больцмана, T абсолютная температура тяжелых частиц атомов, ионов), так и энергию химических связей органических соединений, что приведет к нарушению этих связей без существенного нагрева жидкости, без применения ионизирующих излучений, для которых характерны энергии квантов W_кв=hv (где h постоянная Планка, v частота), существенно превышающие I эВ за счет высокой частоты этих излучений.

Указанная в данном изобретении длительность импульса позволяет сделать принципиально достижимыми необходимые напряженности, доведя значение электрической составляющей поля до 10⁷ В/м и более, исключить нарушения однородности обработки из-за образования газовых пузырьков и полостей внутри продукта и других нежелательных предпробивных явлений, например токовых нитей (из-за "шнурования" тока в электрически наиболее слабых местах обрабатываемого продукта).

Кроме того, указанная длительность импульсов позволяет существенно уменьшить или полностью устранить эффект электролиза и электрохимическую коррозию металлических электродов, если таковые используются при осуществлении данного изобретения.

Все это позволяет увеличить степень обработки продуктов, сохранить или улучшить их исходные качества, уменьшить удельные энергетические затраты при требуемой степени обработки, увеличить сроки хранения продуктов, жидкостей.

Заявителям известно применение импульсных электромагнитных полей с напряженностью более 10⁷ В/м [4]

Однако в известных применениях при помощи этих полей решаются совершенно иные, по сравнению с поставленной в данном изобретении, задачи, например ускорение микрочастиц в вакууме, изучение предпробивных процессов в диэлектриках.

Заявителям известна также радиационная обработка [5]

В отличие от радиационной обработки продуктов пучками инжектированных электронов, которые должны иметь и имеют энергию (0,5-2) МэВ и проникающую способность примерно 1,5 см, электронам, образованным за счет сильного (более 10⁷ В/м) электрического поля в обрабатываемом веществе (жидкости, жидкотекучем продукте) достаточно набрать энергию 0,5-10 эВ для эффективного нарушения некоторых химических связей органических соединений при любой толщине вещества, в котором существует поле с напряженностью E>10⁷ В/м, т.е. уменьшаются удельные энергозатраты на обработку продуктов. Кроме того, при обработке жидкостей и жидкотекучих продуктов короткоимпульсными полями с E>10⁷ В/м не существует опасности остаточной радиоактивности, опасности возможных химических измерений самого продукта поскольку энергия электронов и других микрочастиц при такой обработке несравненно меньше исходной энергии электронов при радиационной пучковой обработке.

Эффективность нарушения некоторых химических связей лучше всего проявляется на объектах со сложной химической структурой: чем больше атомов содержит молекула в обрабатываемом веществе (жидкости, жидкотекучем продукте), тем относительно меньшим количеством нарушений связей (актов ионизаций) она может быть модифицирована. Экономически наиболее выгодно применять обработку импульсными электромамагнитными полями живых микроорганизмов (процессы стерилизации, инактивации микроорганизмов и др.).

При предлагаемом способе обработки продуктов, включающем обработку электромагнитными полями с E>10⁷ В/м, возникает возможность инактивирующего, подавляющего воздействия на систему управления клеткой, на генетический материал клетки микроорганизма как непосредственно полем, так и свободными электронами, образованными в клетке за счет этого сильного поля. Гинетический материал как у эукариотных, так и у прокариотных организмов представлен ДНК. Молекула ДНК несет множество отрицательных зарядов, которые у прокариот и эукариот нейтрализуются по разному. Однако, благодаря зарядам, присущим ДНК, сильное электромагнитное поле с E>10⁷ В/м, а также свободные электроны, взаимодействуя с этими зарядами, могут подавить репликацию ДНК и, тем самым, остановить клеточное деление.

Любая живая клетка действует как целый единый организм благодаря системе управления, находящейся внутри клетки и представляющей собой квантовый компьютер с внутренней точкой зрения. В клетке легко обнаружить все необходимые элементы для молекулярной вычислительной машины.

Прежде всего, есть молекулярная память, причем как долговременная (полученные от родителей молекулы ДНК), так и оперативная (синтезированные внутри клетки молекулы РНК). Молекулярный текст это предел микроскопического языка, по-видимому, более мелкие элементы не могут быть носителями информации. Буквы молекулярного алфавита способны образовывать между собой не только прочные (ковалентные) связи, но и более слабые, (основанные на водородных связях и еще более слабых взаимодействиях). Слабые связи удерживают молекулы месте, только если этих молекул много. В молекулярном компьютере живой клетки тексты могут возникать с помощью перебора. Но это только короткие тексты. Длинные тексты клетка может только считывать с уже готовой программы ДНК.

Обычно в живой клетке свободная энергия, затрачиваемая на одно молекулярное преобразование равна 10 кТ, где к Т/2 средняя энергия на каждую степень свободны при температуре Т. Время, которое затрачивается на одну молекулярную операцию, например при синтезе ДНК или РНК на вставку одного нуклеотида, порядка 0,1 с.

При воздействии на клетку короткими импульсами сильного электромагнитного поля с E>10⁷ В/м непосредственно поле или свободные электроны с достаточной энергией, образованные в веществе (жидкости, жидкотекучем продукте) за счет этого сильного поля, могут необратимо разрушить за время, существенно меньше, чем 0,1 с, множество слабых, но важных для нормального функционирования системы управления клеткой, связей, разрушить молекулярные тексты, нарушить синтез ДНК, что в конечном итоге приведет к инактивации, гибели клетки, увеличению степени обработки продуктов, уменьшению удельных энергозатрат при требуемой степени обработки, увеличению сроков хранения продуктов.

При напряженностях E>10⁷ В/м импульсного электромагнитного поля, при помощи которого ведут обработку жидкостей и жидкотекучих продуктов согласно данному изобретению, помимо сохраняющего известного диэлектрического пробоя мембран возникает целый ряд новых механизмов инактивационного воздействия поля на клетку, которые изложены выше. Результирующий инактивационный эффект достигается за счет комплексного воздействия всех составных механизмов и за счет механизма воздействия на наиболее важное уязвимое звено, которым может быть система управления клеткой, находящаяся внутри клетки. При этом достигается увеличение степени обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов, сохраняются или улучшаются исходные качества продуктов, уменьшаются удельные энергозатраты при требуемой степени обработки, увеличиваются сроки хранения продуктов.

Заявителям известно [3] что сильноимпульсное электрическое поле и высокая (пастеризационная, стерилизационная) температура оказывает однонаправленное (инактивирующее) воздействие на микроорганизмы и взаимно усиливают это инактивирующее воздействие. При этом существует температурный порог, с которого начинается инактивирующее воздействие сильного электрического поля. Для полей с E<30 кВ/см этот порог составляет примерно 45^oC. Для полей с большой напряженностью порог снижается и, начиная с определенной критической напряженности, может исчезнуть.

Высокие частоты следования импульсов (более 1 Гц), возможные для данного изобретения, хороши тем, что позволяют, помимо обработки продуктов непосредственно сильным полем (E>10⁷ В/м), осуществить быстрый нагрев при помощи этого же поля до стерилизационных температур (которые могут быть понижены по сравнению с температурами тепловой стерилизации за счет однонаправленного с температурой действия поля с E>10⁷ В/м) со скоростью (100-1000^o), с последующим быстрым охлаждением до комнатной температуры. При этом сохраняются исходные качества продуктов, а степень стерилизации по сравнению с традиционной тепловой возрастает.

Форма импульсов, которыми ведут обработку жидкостей и жидкотекучих продуктов, может быть различной, в том числе апериодической, приближенно описываемой формулой:



где E (t) напряженность электрического поля в текущий момент времени t;

E₀ амплитудная (здесь оно не начальное) значение напряженности поля;



где постоянная времени, характеризующая отрезок времени, в течение которого E уменьшается в e раз по сравнению с E₀, а также колебательной, приближенно описываемой формулой



где = 2/T, T период колебания, > T..

И для (2) и для (3) E>10⁷ В/м; < 10^-7 с

Апериодическая формула импульсов (формула 2) позволяет в наибольшей степени повысить напряженность обрабатывающего импульсного поля, поскольку электрическая прочность жидкостей и жидкотекучих продуктов при такой форме импульсов выше, чем при колебательной.

Колебательная форма импульсов (формула 3) позволяет осуществить импульсную высокочастотную (ВЧ) и сверхвысокочастотную (СВЧ) обработку с E>10⁷ В/м, которая обеспечивает возможность обработки уже упакованных, расфасованных продуктов. В отличие от традиционной СВЧ-обработки в предлагаемом изобретении существенно возрастает роль обработки непосредственно полем по сравнению с СВЧ-нагревом.

Возможны и другие формы импульсов, в том числе прямоугольная.

Следует отметить влияние магнитной составляющей сильного импульсного электромагнитного поля с максимальной напряженностью электрического поля E>10⁷ В/м, которым ведут обработку. Если учесть, что максимальное значение напряженности магнитного поля



где _o диэлектрическая постоянная (8,85410^-12 Ф/м);

относительная диэлектрическая проницаемость;

m_o магнитная постоянная (410^-7 Гн/м);

то H_max>10⁷ (377 А/м),



Величины магнитной индукции B_max>0,03 Тл составляют доли процента или большую величину от значений индукции импульсного магнитного поля B_ин.обр., которые используются для инактивирующей оабработки микроорганизмов (B_ин.обр.=5-50 Тл) посредством только магнитного поля. Эти величины индукции магнитного поля B_max > 0,03 Тл могут не оказывать самостоятельного инактивирующего действия на микроорганизмы, однако могут оказывать благотворное омагничивающее действие на молекулы обрабатываемой импульсами электромагнитного поля жидкости или жидкотекучего продукта, поскольку B_max>0,03 Тл значительно превосходит по величине индукцию магнитного поля земли. Такое действие магнитной составляющей поля обрабатывающих электромагнитных импульсов приводит к улучшению исходных качеств обрабатываемых продуктов, жидкостей, резкому возрастанию их химической и биологической активности. Таким образом в настоящем изобретении одновременно эффективно используются для обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов обе составляющие сильного импульсного электромагнитного поля электрическая с E_max>10⁷ В/м и магнитная с H_max равной



Сильные импульсные электромагнитные поля с E=10⁷-10⁹ В/м используются в физике диэлектриков для изучения поведения последних в предпробивных полях и исследования предпробивных явлений и явления импульсного пробоя диэлектриков, а также в ускорительной технике [4] Однако в изобретении, в отличие от известных способов, короткоимпульсные (с длительностью импульсов менее 10^-7 с) сильные электромагнитные поля с E>10⁷ В/м впервые используются для повышения степени обработки жидкости и жидкотекучих продуктов при сохранении или улучшении исходных качеств и для продления сроков хранения. Причем, при использовании возникает ряд новых эффективных механизмов инактивирующего действия на микроорганизмы, не имеющих побочных нежелательных воздействий. В отличие от ионизирующих излучений в изобретении воздействие осуществляется не за счет большой частоты электромагнитной волны, а за счет высокой напряженности электромагнитного поля.

Заявителям известны примеры использования для обработки жидкостей и жидкотекучих продуктов импульсов электромагнитного поля наносекундного и более коротких диапазонов длительности с амплитудами напряженности, превышающими характерные напряженности поля в клеточных мембранах.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа; на фиг. 2 вариант выполнения системы полеобразования, вид спереди -сечение; на фиг. 3 вариант выполнения системы полеобразования, вид сверху сечение по А-А фиг. 2.

Осуществление способа производится при помощи устройства, содержащего источник I импульсов электромагнитного поля, систему 2 полеобразования, которая состоит по крайней мере из одной рабочей камеры, систему 3 измерения параметров обработки (напряженности поля, тока, напряжения, температуры), систему 4 подготовки обрабатываемых продуктов, подачи их в обрабатывающую систему 2 полеобразования и послеобработочного перемещения, систему 5 разлива, упаковки и хранения обработанных продуктов, систему 6 управления и контроля. Источник 2 может представлять собой низкоиндуктивный генератор высоковольтных электромагнитных импульсов на базе емкостных накопителей, другой тип высоковольтного генератора, а также высоковольтный генератор импульсного электромагнитного поля ВЧ или СВЧ.

Система 2 полеобразования (фиг. 2 и 3) иллюстрирует прежде всего вариант обработки апериодическими импульсами и может иметь достаточно большую толщину (толщина минимальный размер рабочего объема камеры системы 2), существенно превышающую 1-2 см. Рабочая камера системы 2 полеобразования содержит изоляционный корпус 7, верхний электрод 8 с отверстием 9 для отвода обработанной жидкости, нижний электрод 10 с отверстием 11 для подвода необработанной жидкости, рабочий объем 12, заполненный обрабатываемой жидкостью. Стрелками указано направление протекания через систему 2 полеобразования обрабатываемой жидкости.

Способ реализуется следующим образом.

Обрабатываемый продукт помещается в систему 4 подготовки, подачи и после обработочного его перемещения включается система 6, которая осуществляет включение всего устройства и управляет системой 4, где осуществляется подготовка (например предварительная дегазация, хотя это и не обязательный процесс) и подача жидкотекучего продукта в систему 2 полеобразования, в которой осуществляется затем обработка продукта. До начала обработки жидкость (жидкотекучий продукт) циркулирует по системе 4 через систему 2, не попадая в систему 5 разлива, упаковки и хранения. После включения устройства в целом включается при помощи системы 6 источник 1 импульсов электромагнитного поля. Высоковольтные импульсы от источника 1 попадают на систему 2 полеобразования, где происходит обработка предназначенных для этого жидкостей и жидкотекучих продуктов. Скорость подачи жидкости и частота следования импульсов в системе 2 полеобразования жестко увязаны между собой при помощи системы 6 управления и контроля и системы 3 измерения параметров обработки. По результатам измерений и контроля жидкость, прошедшая обработку в системе 2 полеобразования, либо при нормальной обработке, поступает в систему 5, где после разлива и, возможно, охлаждения хранится при весьма стерильных условиях в приемных контейнерах, цистернах, флягах, пакетах либо при недостаточной обработке возвращается на дополнительный сеанс обработки в систему 2.

Обработку жидкостей ведут однородным электромагнитным полем при помощи системы 2 полеобразования, один из вариантов которой представлен на фиг. 2 и 3. Однородное поле позволяет проводить однородную обработку всего объема рабочей камеры в системе 2 полеобразования. На камеру системы 2 полеобразования подают высоковольтные электромагнитные импульсы U, причем на каждый элементарный объем жидкости, протекающий в камере, приходится по крайней мере один импульс при температуре выше пороговой, т.е. такой, при которой действие электрической составляющей поля эффективно.

В предлагаемом изобретении импульсы электромагнитного поля, в котором ведется обработка жидкостей и жидкотекучих продуктов, могут быть одиночными или следовать с определенной частотой следования (повторение), которое может лежать в пределах от 0,01 Гц (при меньшей частоте следования импульсы считаются одиночными) до 1000 Гц и более.

Проведенные нами многочисленные эксперименты показали эффективность применения коротких электромагнитных импульсов с длительностью импульсов порядка 10^-7 с и амплитудой порядка 10⁷ В/м, в частности для обработки молока и природной воды. Достигнуты сроки хранения сырого молока, обработанного по способу, соответствующего предложенному в данном изобретении 14 дн при температуре 11^oC без заметного ухудшения природных качеств. При этом непосредственно после обработки степень микробиологической обсемененности молока уменьшилась в 10⁶ раз. С увеличением напряженности поля температурный порог эффективного полевого воздействия снижается.

Выполнение способа в соответствии с изобретением позволяет запустить ряд новых механизмов воздействия на жидкости и микроорганизмы, в них находящиеся, а именно позволяет резко увеличить долю электронной проводимости в жидкости, активировать молекулы жидкости, нарушить некоторые химические связи органических соединений, воздействовать непосредственно на систему управления живой клеткой, изменить кинетику биохимических реакций, изменить граничные условия на мембранах клеток и тем самым достичь увеличения степени обработки продуктов, сохранения или улучшения исходных качеств продуктов, уменьшения удельных энергозатрат при требуемой степени обработки, увеличения сроков хранения продуктов.

Настоящее изобретение может быть использовано не только для обработки жидкостей, жидкотекучих продуктов, являющихся микробиологическими питательными средами, но и для обработки практически любых других жидкостей и жидкотекучих продуктов, в частности природных и сточных вод, вакцин, сывороток, растворенного в воде желатина и других. Предлагаемый в изобретении способ обработки позволяет сохранить или улучшить исходные качества продуктов, в том числе органолептические свойства, при увеличении срока хранения и уменьшении удельных энергозатрат, поскольку при данном способе обработки запускаются более эффективные механизмы обработки. Данный способ является экологически чистым, а с точки зрения энергопитания при его осуществлении требуется лишь разъем для электропитания, который в полевых условиях может запитываться от дизельной электростанции. Предлагаемый способ относится к энерго- и ресурсосберегающим технологиям, может найти применение у потребителей в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в медицине, фармакологии.