способ обеззараживания сыпучих продуктов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ обработки сыпучих продуктов облучением, предусматривающий воздействие на обрабатываемый продукт ультрафиолетовым излучением в процессе его перемещения с изменением ориентации отдельных его частиц относительно источника излучения, отличающийся тем, что обрабатываемый продукт облучают импульсным ультрафиолетовым излучением непрерывного спектра в диапазоне длин волн от 185 до 400 нм с помощью импульсной газоразрядной лампы при длительности импульса излучения от 1 мкс до 10 мс и плотности импульсной мощности излучения на обрабатываемом продукте не менее 100 кВт/м² .

2. Устройство для обработки сыпучих продуктов облучением, содержащее узел загрузки, источник ультрафиолетового излучения, средство для транспортирования обрабатываемого продукта, выполненное с возможностью изменения ориентации отдельных частиц сыпучего продукта относительно источника ультрафиолетового излучения, и узел выгрузки, отличающееся тем, что источник ультрафиолетового излучения выполнен в виде импульсной газоразрядной лампы, подключенной к блоку питания с емкостным накопителем, зарядным устройством и блоком поджига.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство для транспортирования обрабатываемого продукта выполнено в виде вибрационного транспортера, представляющего собой лоток, установленный на амортизаторах, при этом снизу к лотку присоединена косынка, на которой установлен вибратор с регулируемым направлением вибрационных колебаний, или в виде полого барабана, установленного с возможностью вращения вокруг своей оси, причем ось вращения барабана наклонена к горизонту под углом не более 30°, а источник ультрафиолетового излучения установлен соосно или параллельно оси барабана, причем электроды источника излучения расположены вне барабана и подключены к блоку питания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике и технологии обеззараживания сыпучих продуктов, в частности сыпучих продуктов питания, зерна, семян, комбинированных кормов птицы и животных и др. продуктов сельскохозяйственного производства, ингредиентов фармакологических и гомеопатических препаратов и т.п.

Известны радиационные методы стерилизации, использующие различные ионизирующие излучения (рентгеновское, гамма-излучение) и принципиально решающие проблему дезинфекции сыпучих сред, которые применительно к пищевым и лекарственным продуктам не могут рассматриваться как удовлетворительные, поскольку вызывают глубокие объемные модификации химической структуры обрабатываемых объектов и приводят к наработке побочных химических соединений, обладающих специфическими биологическими свойствами.

Известны также термические методы обработки сыпучих продуктов питания, предусматривающие нагрев обрабатываемого продукта различным путем, например микроволновым излучением (патент РФ №2031585, кл. А 23 В 9/04). Термические методы в их различных модификациях являются весьма энергоемкими, требуют дорогостоящего оборудования и не всегда обеспечивают необходимый уровень деконтаминации обрабатываемых объектов. Кроме того, при высокотемпературной обработке пищевых продуктов неизбежно происходит частичная термодеструкция многих белковых и других биологически актуальных структур исходного продукта, что приводит в результате к снижению его потребительских свойств.

В настоящее время наиболее распространенными являются химические методы обеззараживания сыпучих продуктов.

Так, известен способ обеззараживания сыпучих продуктов, предусматривающий дезинфицирующее воздействие на обрабатываемый продукт при его перемещении (патент РФ №2081599, кл. А 23 В 9/32). Дезинфицирующее воздействие по известному способу осуществляется парами пропионовой кислоты.

Известно также устройство для обеззараживания сыпучих продуктов, содержащее узел загрузки, средство для транспортирования обрабатываемого продукта, средство для дезинфицирующего воздействия на обрабатываемый продукт и узел выгрузки (см. там же).

Недостатки известных способа и устройства, как и любых других разновидностей химических методов и устройств для их осуществления, заключаются в следующем.

Воздействие любых химических веществ на продукты сельскохозяйственного производства и ингредиенты различных препаратов потенциально опасно, поскольку при этом могут инициироваться различные химические реакции, приводящие к изменению физико-химических и биологических свойств обрабатываемых продуктов. Оценка реальной опасности такого рода изменений, особенно отдаленных, чрезвычайно трудна и далеко не всегда достоверна. Остаточные количества химического препарата в том или ином виде попадают в конечный продукт. Риск передозировки при обработке весьма высок. Химические препараты обычно обладают значительным последействием.

Кроме того, известные способ и устройство, как и большинство химических методов, селективны в отношении природы и состояния обрабатываемого продукта, т.е. для конкретного вида и состояния продукта в общем случае необходим подбор соответствующего химического реагента и режима его применения.

Задачей настоящего изобретения является повышение степени обеззараживания сыпучих продуктов, уменьшение последействия и риска передозировки, обеспечение универсальности в части обработки различных продуктов.

Поставленная задача в части предложенного способа решается тем, что дезинфицирующее воздействие осуществляют путем облучения обрабатываемого продукта ультрафиолетовым излучением, при этом перемещение обрабатываемого сыпучего продукта производят с изменением ориентации отдельных его частиц относительно источника ультрафиолетового излучения.

Поставленная задача решается также тем, что для облучения обрабатываемого продукта применяют ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн от 185 до 400 нм.

Поставленная задача решается также тем, что для облучения обрабатываемого продукта применяют ультрафиолетовое излучение с непрерывным спектром.

Поставленная задача решается также тем, что для облучения обрабатываемого продукта применяют импульсное ультрафиолетовое излучение с длительностью импульса излучения от 1 мкс до 10 мс.

Поставленная задача решается также тем, что плотность импульсной мощности излучения на обрабатываемом продукте составляет не менее 100 кВт/м².

Поставленная задача в части предложенного устройства решается тем, что средство для дезинфицирующего воздействия на обрабатываемый продукт выполнено в виде источника ультрафиолетового излучения, подключенного к блоку питания, а средство для транспортирования обрабатываемого продукта выполнено с возможностью изменения ориентации отдельных частиц сыпучего продукта относительно источника ультрафиолетового излучения.

Поставленная задача решается также тем, что источник ультрафиолетового излучения выполнен в виде газоразрядной лампы, содержащей колбу из прозрачного для ультрафиолетового излучения материала и электроды.

Поставленная задача решается также тем, что колба газоразрядной лампы выполнена из кварцевого стекла.

Поставленная задача решается также тем, что колба газоразрядной лампы заполнена парами ртути, а блок питания содержит стартер и балластное сопротивление.

Поставленная задача решается также тем, что колба газоразрядной лампы заполнена инертным газом, преимущественно ксеноном, или смесью газов, а блок питания содержит устройство поджига и источник тока.

Поставленная задача решается также тем, что колба газоразрядной лампы заполнена инертным газом, преимущественно ксеноном, или смесью газов, а блок питания содержит устройство поджига, емкостный накопитель и зарядное устройство.

Поставленная задача решается также тем, что средство для транспортирования обрабатываемого продукта выполнено в виде вибрационного транспортера с регулируемым направлением вибрационных колебаний, а источник ультрафиолетового излучения установлен над транспортером.

Поставленная задача решается также тем, что средство для транспортирования обрабатываемого продукта выполнено в виде полого вращающегося вокруг своей оси барабана, а источник ультрафиолетового излучения установлен внутри барабана соосно или параллельно его оси.

Поставленная задача решается также тем, что вращающийся барабан выполнен с возможностью регулировки угла наклона оси вращения.

Поставленная задача решается также тем, что внутренняя поверхность вращающегося барабана выполнена с винтовой нарезкой.

Предложенные способ и устройство иллюстрируются графическими материалами, где на фиг.1 схематически изображена конструкция устройства с вибрационным транспортером в качестве средства для транспортирования обрабатываемого продукта, на фиг.2 - то же, в сечении А-А на фиг.1, на фиг.3 - конструкция ротационного устройства с вращающимся барабаном в качестве средства для транспортирования обрабатываемого продукта.

Устройство для обеззараживания сыпучих продуктов содержит узел загрузки 1 в виде бункера-дозатора, средство для транспортирования обрабатываемого продукта в виде вибрационного транспортера, представляющего собой лоток 2, установленный на амортизаторах 3. Снизу к лотку 2 присоединена косынка 4, обеспечивающая жесткость вибрирующей части транспортера и на которой установлен вибратор 5 с регулируемым направлением вибрационных колебаний.

Над лотком 2 установлен один или несколько источников ультрафиолетового излучения 6, подключенных к блоку питания (на фиг.1 не показан). Источники излучения 6 конструктивно изолированы от средства для транспортирования сыпучего продукта.

Узел выгрузки 7 служит для накопления обработанного продукта и может быть выполнен в виде приемного накопительного бункера.

Источник ультрафиолетового излучения 6 выполнен в виде газоразрядной лампы, содержащей колбу из прозрачного материала (обычно это высококачественный кварц с коротковолновой границей пропускания около 185 нм, либо легированный кварц или увиолевое стекло с коротковолновой границей пропускания 220-230 нм) и электроды.

Колба газоразрядной лампы может быть заполнена парами ртути, в этом случае такой источник ультрафиолетового излучения представляет собой обычную бактерицидную лампу (низкого, среднего или высокого давления). Такая лампа подключается к стандартному блоку питания (пускорегулирующему устройству), содержащему стартер и балластное индуктивное сопротивление. Спектр излучения ртутной бактерицидной лампы низкого давления представляет собой несколько спектральных линий, наиболее мощная из которых соответствует длине волны 253,7 нм, которая и обеспечивает эффект обеззараживания. Лампа работает в непрерывном режиме с невысокой интенсивностью бактерицидного излучения. Мощность таких ламп достигает сотен ватт.

Колба газоразрядной лампы может быть также заполнена спектрально чистыми инертными газами (ксенон, криптон, аргон и др.) или смесью газов при давлении несколько атмосфер. Такие лампы обеспечивают непрерывный режим горения, спектр излучения - смешанный: на фоне непрерывного континуума выделяются отдельные спектральные линии, характерные для того или иного газа. Мощность таких дуговых ламп достигает нескольких киловатт. Для обеспечения рабочего режима они подключаются к блоку питания, в состав которого входят устройство поджига и источник тока.

Колба газоразрядной лампы может быть заполнена также инертным газом, преимущественно ксеноном, при давлении, меньшем или близком к атмосферному. Это - импульсные газоразрядные лампы, подключаемые к блоку питания, содержащему устройство поджига, емкостный накопитель и зарядное устройство. Импульсная мощность таких ламп достигает сотен киловатт, спектр излучения в ультрафиолетовой области - непрерывный, начиная от коротковолновой границы пропускания кварцевой колбы (185 нм) до начала видимого диапазона (380-400 нм).

Источники ультрафиолетового излучения 6 могут снабжаться отражателями различного исполнения (не показаны).

В варианте выполнения в устройстве для обеззараживания сыпучих продуктов средство для транспортирования продукта может быть выполнено в виде полого барабана 8, установленного с возможностью вращения вокруг своей оси благодаря подшипникам 9. Вращение барабана 8 осуществляет привод из электродвигателя 10, малой шестерни 11 на валу электродвигателя и находящейся в зацеплении с ней большой шестерни 12, закрепленной на барабане 8.

Источник ультрафиолетового излучения 6 установлен в полости барабана 8 вдоль его оси (соосно или параллельно) так, что электроды лампы находятся вне барабана и подключены к блоку питания 13.

Ось вращения барабана 8 наклонена к горизонту под углом , который может принимать значение от 0 до 20-30 градусов. Внутренняя поверхность барабана 8 может быть выполнена с винтовой нарезкой или ребристой.

В другом варианте выполнения в устройстве для обеззараживания сыпучих продуктов средство для транспортирования продукта может быть выполнено в виде устройства дождевального типа с распределителями падающего сыпучего продукта, обеспечивающего свободное падение и перекатывание частиц продукта (например, зерна) в поле облучения.

Последовательность операций, составляющих сущность предложенного способа обеззараживания сыпучих продуктов, и работа предложенного устройства для осуществления предложенного способа будет понятна из следующего описания работы.

Исходный сыпучий продукт помещается в узел загрузки 1 и дозированно поступает в лоток 2. За счет работы вибратора 5 лоток 2 испытывает колебательные движения, направление, частота и интенсивность которых определяются характеристиками вибратора и направлением оси его колебаний. На фиг.1 стрелками на вибраторе 2 обозначено направление оси колебаний. При такой настройке вибратора лоток 2 совершает колебательные движения как вдоль линии горизонта, так и по вертикали, причем соотношение амплитуд этих составляющих целиком и полностью определяется углом наклона оси вибратора 5.

В результате такого колебательного движения лотка 2 отдельные частицы находящегося на нем сыпучего продукта перемещаются по поверхности лотка в сторону устройства выгрузки 7 (за счет горизонтальной составляющей колебательного движения лотка) и одновременно подбрасываются вверх (за счет вертикальной составляющей колебательного движения лотка), падают и перекатываются, т.е. в процессе перемещения меняют свою ориентацию относительно источника ультрафиолетового излучения 6. Такое поведение отдельных частиц сыпучего продукта напоминает кипение жидкости и может трактоваться как «псевдокипение» или «псевдоожижение» сухих сыпучих продуктов.

Находящиеся в «кипящем слое» частицы сыпучего продукта облучаются источниками ультрафиолетового излучения 6. Обработанный сыпучий продукт накапливается в устройстве выгрузки 7.

Весь процесс обработки и транспортирования продукта происходит непрерывно за счет согласования настройки вибратора и производительности устройства загрузки.

Особенность работы варианта выполнения предложенного устройства с ротационным средством для транспортирования обрабатываемого продукта (фиг.3) заключается в том, что за счет вращения барабана 8 с помощью привода 10, 11, 12 и наклона его оси одновременно с перемещением частиц продукта к устройству выгрузки 7 обеспечивается и перекатывание частиц, т.е. в процессе обработки изменяется ориентация частиц продукта относительно источника ультрафиолетового излучения 6, в результате чего они облучаются с разных сторон. В зависимости от свойств исходного сыпучего продукта (размер частиц, фракционность, слипаемость, степень микробиологического загрязнения и т.д.) подбирается величина угла наклона оси барабана и угловая скорость вращения барабана с тем, чтобы обеспечить нахождение каждой отдельной частицы обрабатываемого продукта в зоне облучения источником ультрафиолетового излучения 6 в течение времени, необходимого для достижения заданной степени обеззараживания продукта.

В варианте выполнения внутренней поверхности барабана 8 с винтовой нарезкой угол может быть равен 0, поскольку необходимое продольное перемещение продукта обеспечивается параметрами винтовой спиралевидной нарезки аналогично тому, как это имеет место в шнековых транспортерах.

Хорошо известно, что ультрафиолетовое излучение обладает выраженным биоцидным действием и производит эффективную инактивацию микроорганизмов различных типов - бактерий, спор, вирусов, микрогрибов и др. В отличие от ионизирующего излучения, обладающего большой проникающей способностью (десятки сантиметров и более), ультрафиолетовое излучение очень сильно поглощается практически всеми твердыми веществами - характерные пробеги фотонов в твердых конденсированных средах составляют от долей микрона до нескольких микрон. Поэтому при ультрафиолетовом облучении твердой частицы обработке подвергается только ее тончайший поверхностный слой, основная же масса вещества не подвергается никакому воздействию и, соответственно, не изменяет своих биохимических свойств. Это является преимуществом предлагаемого способа обеззараживания сыпучих продуктов по сравнению с известными способами.

В предлагаемых способе и устройстве дезинфицирующее воздействие на обрабатываемый продукт прекращается в тот момент, когда продукт выходит из зоны облучения и попадает в устройство выгрузки, т.е. отсутствует какое-либо последействие. По этой же причине отсутствует риск передозировки.

Предлагаемые способ и устройство обладают свойством универсальности по отношению к виду и характеристикам конкретного обрабатываемого сыпучего материала. Это преимущество предлагаемого решения обусловлено тем, что обеззараживание с помощью ультрафиолетового излучения происходит на поверхности частиц сыпучего материала независимо от состава и структуры внутренней части частиц, эффективность же обеззараживания определяется дозой ультрафиолетового излучения и эффективностью перемешивания обрабатываемого сыпучего материала в процессе облучения. Эффективность перемешивания, в свою очередь, зависит от регулировок примененного средства для транспортирования обрабатываемого продукта, выполненного с возможностью изменения ориентации отдельных частиц сыпучего продукта относительно источника ультрафиолетового излучения. Эти регулировки для различных сыпучих материалов, например для мелкозернистых продуктов (порошков или продуктов в виде муки) и для крупнозернистых (в виде зерновок, мелких плодов и др.), будут различны.

Экспериментальная установка для обеззараживания сыпучих продуктов собрана на базе вибрационного транспортера, который обеспечивал перевод обрабатываемых продуктов в состояние псевдоожижения (виброкипения) и перемещение их с изменяемой скоростью. Облучение сыпучих продуктов осуществлялось трубчатой импульсной ксеноновой лампой типа ИНП-11/250 с размерами тела свечения d×L=11×250 мм. Электрическая энергия разряда в лампе составляла 600 Дж при длительности импульса излучения в УФ области спектра ˜100 мкс. Лампа работала с частотой повторения импульсов 1 Гц и средней электрической мощностью 600 Вт; пиковая электрическая мощность лампы составляла 6 МВт. В УФ-области спектра с длинами волн короче 310 нм лампа излучает ˜10% энергии разряда при интегральном по спектру потоке излучения с поверхности лампы ˜30 кВт/см². Облучение объектов осуществлялось с расстояния 15...20 см от лампы, при этом светотехнические системы, концентрирующие поток излучения (отражатели и т.п.), не использовались. Микробиологический анализ тест-объектов до и после облучения проводился в Центральной лаборатории микробиологии ВНИИ молочной промышленности.

Экспериментальное исследование возможностей предложенного способа обеззараживания сыпучих пищевых продуктов проведено при использовании в качестве тест-объектов черного перца - горошка и молотой фракции и ферментной муки протосубтилена. Последний применяется как белковая добавка к комбикормам животных. Особенность протосубтилена как объекта обеззараживания заключается в его принципиальной термонеустойчивости: при нагреве свыше ˜50°С его полезные свойства (ферментная активность) существенно падают.

Результаты проведенных исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1
№ пп	Наименование продукта, время облучения	БГКП	КМАФАнМ, КОЕ/г	Эффективность обеззараживания, %
1	Перец черный горошком
1.1	Исходный	Обнаружены в 0,01 г	7·10 6
1.2	Обработка 0,5 мин	Обнаружены в 0,01 г	2,7·10 6	61,43
1.3	Обработка 6 мин	Отсутствуют в 0,1 г	2,5·103	99,96
2	Перец черный молотый
2.1	Исходный	Обнаружены в 0,001 г	4·10 6
2.2	Обработка 0,5 мин	Обнаружены в 0,001 г	2,7·10 6	32,50
2.3	Обработка 6 мин	Отсутствуют в 0,1 г	1,4·106	65,00
3	Протосубтилен
3.1	Исходный	Отсутствуют в 0,1 г	2·109
3.2	Обработка 1 мин	Отсутствуют в 0,1 г	4·107	98,00
3.3	Обработка 3 мин	Отсутствуют в 0,1 г	5·106	99,75
3.4	Обработка 6 мин	Отсутствуют в 0,1 г	2·105	99,99
Примечания: БГКП - бактерии группы кишечной палочки; КМАФАнМ - количество мезофильных, аэробных, факультативно-анаэробных микроорганизмов; КОЕ/г - число колониеобразующих бактерий в 1 г продукта.

Как можно видеть из представленных данных, при соответствующем выборе длительности обработки предложенные способ и устройство позволяют осуществить глубокое обеззараживание сыпучих продуктов: после шести минут облучения крупной фракции черного перца и мелкодисперсной (˜50 мкм) ферментной муки общая микробиологическая обсемененность уменьшалась на 3...4 порядка (эффективность обеззараживания 99,9...99,99%), при этом нагрев ферментной муки не превышал 35°С. Для черного перца бактерии группы кишечной палочки не обнаруживались в 1 мг обработанного продукта, независимо от его фракционного состава (норматив Сан ПиН 2.3.2.1078-01 - отсутствие в 10 мг продукта). Одновременно у всех исследованных тест-объектов отмечено значительное (более чем на порядок) снижение общей обсемененности дрожжами и плесневыми грибами.

Контрольные исследования протосубтилена после такой обработки показали сохранение его ферментативной активности.

Таким образом, предложенные способ и устройство обеспечивают глубокое обеззараживание широкой номенклатуры сыпучих продуктов при сохранении их потребительских качеств при отсутствии последействия и крайне низком риске передозировки.