способ антимикробной обработки жидкости и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ антимикробной обработки жидкости, состоящий из воздействия на нее серии наносекундных высоковольтных импульсов, отличающийся тем, что обработка жидкости происходит импульсами с длительностью менее 20 нс в проточной камере с напряженностью электрического поля в жидкости не менее 6·10⁶ В/м, а обработанная жидкость подается при повышенном давлении, которое задает скорость подачи и отвода обрабатываемой жидкости.

2. Устройство для антимикробной обработки жидкости, содержащее источник высоковольтных наносекундных импульсов, проточную камеру, отличающееся тем, что источник высоковольтных наносекундных импульсов выполнен с полупроводниковым прерывателем тока, а проточная камера выполнена с коаксиальными электродами, так что диаметры внешнего Д1 и внутреннего Д2 электродов находятся в соотношении Д1/Д2 2, причем внешний электрод является корпусом, на котором имеются патрубки для подвода и отвода обрабатываемой жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу увеличения сроков хранения пищевых жидкостей (в частности, молока), а также снижения микробиологической загрязненности при сбросе бытовых стоков в открытые водоемы.

Для увеличения сроков хранения пищевых жидкостей, а также при сбросе бытовых стоков требуется снизить содержание микроорганизмов в жидкости в 10³-10⁴ раз. Имеется несколько способов антимикробной обработки в жидкостях - электромагнитными полями постоянного [1], переменного [2] и импульсного тока [3].

Известно устройство для очистки жидкости электрокоагуляцией [4], содержащее корпус, снабженный съемной крышкой, в котором размещен набор установленных друг над другом рабочих электродов, выполненных в форме дисков с центральными отверстиями, патрубки подачи и отвода жидкости, а также средство подвода электрического тока, размещенные вне корпуса. В таком устройстве электрообработка жидкости осуществляется в пространстве между электродами в режиме интенсивного перемешивания, причем очистка осуществляется как за счет протекания постоянного электрического тока, так и с участием продуктов анодного растворения материала электродов. Электрокоагуляция молока заключается в создании в молочной среде кислотности на уровне значений рН, при которых белковая масса молока коагулирует. Активность ионов водорода изменяется в процессе индуцирования в жидкой молочной среде вторичных короткозамкнутых электротоков с помощью пластинчатого зигзагообразного индуктора, соединенного с источником переменного тока. Это устройство позволяет ускорить процесс получения молочно-белковой массы за счет создания в молочной жидкой среде вторичных короткозамкнутых токов.

Недостатком такого устройства является то, что жидкость после электрообработки загрязняется продуктами анодного растворения материалов анодов, что нежелательно при обработке пищевых продуктов. Кроме того, данная конструкция сложна в обслуживании, что затрудняет ее техническую эксплуатацию при обработке молока, поскольку в этом случае требуется ежедневная санитарно-гигиеническая обработка всех деталей.

Известен прототип - способ обработки жидкостей и текучих продуктов [3], которые служат питательной средой для микроорганизмов (биологических жидкостей), в том числе молока, вин, соков, сточных вод, а также медицинских и косметических препаратов, содержащих микроорганизмы, импульсами электромагнитного поля, длительность каждого из которых менее 10 ^-7 с, с амплитудой напряженности электрического поля в жидкости более 10⁷ В/м совместно с обработкой излучением искрового разряда.

Устройство для реализации этого способа 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. Разрядник 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.

Недостатком способа является большая длительность импульсов, что приводит к существенному нагреву молока при обработке, что приводит к изменению его потребительских свойств. Недостаток устройства для реализации способа состоит в использовании генератора высоковольтных импульсов с коммутатором - разрядником - излучение искрового разряда которого используется. Это приводит к тому, что данный генератор имеет ограниченный ресурс и частоту работы. Еще один недостаток устройства заключается в том, что проточная кювета имеет плоскопараллельную конструкцию, что приводит к наличию большой площади контакта обрабатываемой жидкости с изолятором. При этом изолятор, как и жидкость, облучается через окно, прозрачное для излучения искрового разряда. Воздействие этого излучения приводит к падению электрической прочности изолятора и уменьшению его ресурса.

Изобретение решает задачу уменьшения микробиологической загрязненности, что позволяет либо увеличить сроки хранения пищевых жидкостей (например, молока), сохраняя неизменными их органолептические свойства, биологическую ценность, либо обеспечить безопасный сброс бытовых стоков в открытые водоемы при уменьшении затрат энергии на обработку.

Указанный технический результат достигается посредством антимикробной обработки жидкости. Способ этой антимикробной обработки состоит в том, что жидкость в потоке в коаксиальной геометрии электродов обрабатывается серией высоковольтных импульсов, длительностью менее 20 нс, создающих амплитуду напряженности электрического поля не менее 6·10 ⁶ В/м. Возникающее при обработке в жидкости электрическое поле с высокой скоростью нарастания приводит к разрушению (электрическому пробою) жизненно важных частей микроорганизмов (мембран), что приводит к гибели этих микроорганизмов [6]. Процесс разрушения происходит на фронте импульса, поэтому уменьшение длительности импульса позволяет уменьшить энергозатраты на процесс обработки и тем самым уменьшить нагрев жидкости. Для исключения образования пузырьков в жидкости она должна подаваться на обработку под повышенным давлением, одновременно это давление обеспечивает протекание обрабатываемой жидкости через систему электродов и задает скорость ее подачи и отвода.

Способ был проверен экспериментально. Было создано устройство для обработки жидкостей, содержащее источник высоковольтных импульсов на основе полупроводникового прерывателя тока и камеру обработки молока (Фиг.1). Камера представляет из себя коаксиальные электроды 1, 2, выполненные из пищевой нержавеющей стали, разделенные проходным изолятором 3. Внешний электрод 1 является корпусом, на котором имеются патрубки 4 для подвода и отвода обрабатываемой жидкости. На внутренний электрод подается импульс высокого напряжения от источника высоковольтных импульсов (Фиг.2). Соотношение диаметров внешнего Д1 и внутреннего Д2 электродов определяет напряженность электрического поля в камере и должно находится в диапазоне Д1/Д2 2. Кроме того, соотношение диаметров и длина электродов определяют электрический импеданс камеры, что существенно для сопряжения с источником высоковольтных импульсов. Обрабатываемая жидкость подается повышенным давлением из расходной емкости по трубопроводам через камеру обработки молока в приемные емкости.

Устройство работает следующим образом. Перед работой вся система промывается и стерилизуется. Обрабатываемая в камере обработки жидкость может содержать растворенные газы, что приводит к образованию газовых пузырьков как в объеме самой камере обработки, так и в трубопроводах, по которым обрабатываемая жидкость поступает в камеру обработки. Вероятность образования газовых пузырьков возрастает с увеличением скорости движения по трубопроводам и температуры обрабатываемой жидкости. Поскольку электрическая прочность газа в пузырьках существенно ниже электрической прочности обрабатываемой жидкости, возможно возникновение нежелательных разрядов в пузырьках. Для предотвращения этого жидкость пропускается через камеру обработки под повышенным давлением. Давление находилось в диапазоне 0,2-2 ати. При этом скорость движения обрабатываемой жидкости ограничивается подбором величины повышенного давления, для исключения перехода от ламинарного к турбулентному режиму потока. При движении в камере обработки обрабатываемая жидкость подвергается воздействию серии высоковольтных импульсов.

Для проверки антимикробного действия на устройстве были выполнены эксперименты. На первом этапе эксперименты выполнялись на модельной жидкости. В качестве модельной жидкости использовалась вода, предварительно зараженная наиболее характерными для молока патогенными микроорганизмами (Eschericia coli (кишечная палочка), Salmonella, Micrococcus). При этом концентрация микроорганизмов составляла 10⁴ 1/мл. Проведение исследований на основе модельной жидкости, а не молока связано с тем, что:

1) молоко даже одной фирмы и одной жирности, купленное в разное время, может иметь разные свойства, что затрудняет сохранение условий экспериментов;

2) модельная жидкость позволит иметь базовую точку, при использовании других типов обрабатываемых жидкостей (ОЖ), например соков, пива;

3) позволяет осуществить минимизацию затрат на расходные материалы в эксперименте.

Поэтому молоко было использовано в экспериментах, после того как получены первичные результаты обработки модельной жидкости.

Микробиологические анализы выполнялись в Отделе особо опасных инфекций ФГУЗ «Центра гигиены и эпидемиологии в Свердловской области» по стандартной методике: методом посева на диагностические питательные среды с проращиванием в питательном растворе в течение 24 часов.

Цель экспериментов: довести зараженное молоко с концентрацией микроорганизмов 10⁴ 1/мл до соответствия СанПиН 2.3.2. (078-6), а также до ГОСТ 3624-92, ГОСТ 5867-90 (СТ СЭВУ 3838-82) «Молоко и молочные продукты. Методы определения жира.» и ГОСТ 23327-98. Основным ГОСТом считать ГОСТ Р 52054-2003 «Молоко натуральное коровье - сырье. Технические условия».

Эксперименты проводились в следующей последовательности. Первоначально был проведен этап экспериментов на модельной жидкости. Он состоял из 9 серий опытов, каждая из которых основывалась на результатах предыдущей серии. Три последних серии были выполнены в одинаковых условиях для исследования повторяемости результатов. В первой серии проводилась отработка методики эксперимента, отбора проб и условий их транспортировки. Вторая и третья серия экспериментов проводилась при внутреннем электроде диаметром 7 мм. Во второй серии экспериментов изменялась частота работы источника высоковольтных импульсов (ИВИ), использовались режимы 200, 150 и 100 Гц, при одинаковой скорости потока обрабатываемой жидкости (время обработки во второй серии - 20 с) - таблица 1. Во третьей серии экспериментов изменялась частота работы ИВИ, использовались режимы 200, 150 и 100 Гц, при различной скорости потока обрабатываемой жидкости (время обработки - 4 и 2 мин).

В четвертой и пятой сериях сменили внутренний электрод на 40 мм в диаметре (т.е. напряженность электрического поля в межэлектродном зазоре); частоту ИВИ задавали 200, 150, 75 (100) Гц, а время обработки в разных сериях изменяли: в 4 серии - 4 и 2 мин, в 5 серии - 20 с.

В сериях 6 и 7 использовался внутренний электрод диаметром 40 мм, частота работы ИВИ 200, 150 и 100 (75) Гц, с различным временем обработки (время обработки в 6 серии - 20 сек, в 7 серии - 4 и 2 мин).

В 7 серии достигнуты требуемые показатели МАФАМ и БГКП, и решено было выполнить ее повторение для проверки точности полученных результатов в 8 и 9 сериях.

После подтверждения достоверности результатов 7 серии стало возможным перейти к этапу экспериментов на молоке. В первой и второй сериях проводилась отработка методики эксперимента, отбора проб и условий их транспортировки, т.к. технология на молоке существенно сложнее. Например, для проб пришлось использовать изотермический контейнер. Результаты обработки молока оказались аналогичными результатам на модельной жидкости в 7-9 сериях.

Результаты анализа экспериментальных данных (таблица 1) показали, что в качестве меры воздействия ИВИ можно ввести интенсивность обработки, которая имеет размерность количество импульсов/мл.

Результаты экспериментов показали, что для гибели микроорганизмов значение имеет не максимальное значение напряженности поля в зазоре между коаксиальными электродами, которое создается при минимальном диаметре внутреннего электрода (d=7 мм), а наличие высокой средней напряженности поля в зазоре. Это достигается в том случае, когда соотношение диаметров электродов находится в соотношении Д1/Д2 2. В экспериментальной камере Д1=40 мм, а Д2=20 мм, длина камеры составляла 100 мм. Ограничениями на увеличение диаметра внутреннего электрода и длины камеры являются уменьшение электрической прочности зазора жидкости и уменьшение импеданса камеры, что вызывает рассогласование с выходным импедансом источника высоковольтных импульсов. Использование коаксиальных электродов позволяет выполнять изолятор камеры обработки в форме, выгодной с точки зрения получения максимальной электрической прочности. Расчетные значения Е во всех сериях экспериментов приведены в таблице 1.

Из данных на фиг.3 видно, что концентрация микроорганизмов уменьшается обратно пропорционально интенсивности воздействия (значения для серий указано цифрами: для второй - 1, третьей - 2 и четвертой - 3). При этом эффект воздействия имеет тенденцию к насыщению, при значениях I 50 имп./мл (30 Дж/л). Таким образом, установлено, что дальнейших воздействия, при данной геометрии электродов и Ем, будет неоправданный рост энергозатрат.

Источник высоковольтных импульсов выполняется по схеме с полупроводниковым прерывателем тока [5], что позволяет получить существенно больший ресурс источника по сравнению с прототипом.

В экспериментах на молоке установлено, что минимальные энергозатраты на пастеризацию молока (снижение концентрации микроорганизмов на 4 порядка) составляют 14,35 Дж/л (4 кВтч/м³). Выполненные анализы показали, что обработанное молоко соответствует необходимым ГОСТам (Таблица 2). Нагрев жидкости при такой обработке происходит менее чем на 10 градусов, что не создает проблемы изменения свойств жидкости по сравнению с прототипом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №2043041

2. Патент РФ №93025191

3. Патент РФ №2193856

4. Патент РФ №2211571

5. Рукин С.Н. Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока. // ПТЭ. 1999. №4. С.5-36.

6. Kari H. Schoenbach, Frank E. Peterkin, Raymond W. Alden, and Stephen Beebe // THE EFFECT OF PULSED ELECTRICAL FIELDS ON BIOLOGICAL CELLS: Experiments and applications. / IEEE Transaction on Plasma Science, vol.25. No. 2, April 1997, pp.284-292.