способ и установка для низкотемпературной пастеризации жидких продуктов

Формула изобретения

1. Способ низкотемпературной пастеризации яичной массы, отличающийся тем, что воздействие электромагнитного поля сверхвысокочастотного диапазона в дополнительной резонаторной камере, объемом 0,5 2 л и напряженностью 10 29 кВ/см, происходит в многократном циклическом режиме, предусматривающем эндогенный нагрев, при удельной мощности 4,4 16 Вт/г до достижения температуры в продукте 30 32°С, и последующее охлаждение до 20°С.

2. Установка для низкотемпературной пастеризации яичной массы, содержащая СВЧ генератор с основной резонаторной камерой низкой напряженности электрического поля, отличающаяся тем, что внутри камеры установлена дополнительная резонаторная камера высокой напряженности электрического поля, выполненная в виде цилиндра с основаниями, заполненная фторопластом и жестко прикрепленная к стенке основной резонаторной камеры боковой стороной, имеющей отверстие для излучателя магнетрона, причем через основания дополнительной резонаторной камеры и стенок основной резонаторной камеры проложен фторопластовый трубопровод, окруженный экранирующей трубой за пределами камер, при этом фторопластовый трубопровод закольцован через насос и патрубки для ввода и вывода продукта и помещен в кожухотрубный теплообменник, так, что в его кольцевом пространстве циркулирует охлаждающая жидкость.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к оборудованию для тепловой обработки пищевых продуктов, например для пастеризации яичной массы, молока и молочных продуктов и др. Известно устройство для тепловой обработки жидкости [1], а также установка для варки меланжа диэлектрическим нагревом [2].

Известно, что достаточное эффективное обеззараживание жидких продуктов достигается в электрическом поле сверхвысокой частоты (2450 МГц). При этом задача сводится к повышению равномерности распределения напряженности электрического поля в обрабатываемой жидкости при минимальных изменениях ее физико-химических свойств, а также к обеспечению проточности жидкости. Обеззараживание жидкого продукта в электромагнитном поле сверхвысокой частоты возможно, но только при высоких температурах его нагрева, т.е. при более 80 °С. Изобретение нельзя применить к яичной массе, которая коагулируется при температуре выше 35° С.

Известны способ стерилизации диэлектрических материалов при помощи СВЧ излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа [3]. Изобретение позволяет обеспечить возможность стерилизации медицинских диэлектрических материалов (перевязочных материалов, зубных протезов и т.п.) без использования мощных сверхвысокочастотных (СВЧ) генераторов, но при высокой напряженности электрического поля. Данное устройство для пастеризации жидких продуктов, а тем более коагулируемых при низкой температуре продуктов, не приспособлено.

Предлагаемое изобретение предназначено для низкотемпературной пастеризации жидких продуктов в проточном режиме с использованием энергии электромагнитного поля высокой напряженности сверхвысокочастотного диапазона.

Технологический и технический результаты, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в увеличении напряженности электрического поля за счет дополнительной резонаторной камеры, установленной в рабочей камере микроволновой печи напротив магнетрона, через которую проложен фторопластовый трубопровод. Дополнительная резонаторная камера, выполненная из неферромагнитного материала в виде цилиндрического стакана, размеры которого согласованы с длиной волны (12,24 см), обладает добротностью более 150. Фторопластовый трубопровод закольцован для многократного перекачивания яичной массы с помощью насоса, проходит через кожухотрубный теплообменник и содержит патрубок для подачи и слива продукции.

На чертежах изображены графики, комплектующие узлы, схемы и реальное выполнение самой установки для низкотемпературной пастеризации жидких продуктов.

На фиг. 1 представлена зависимость предельной напряженности электрического поля от превышения температуры нагрева яичной массы при разной длине волны сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения (1 - длина волны 12,24 см; 2 - длина волны 1,7 см; 3 - пробивная напряженность воздуха в диапазоне СВЧ).

На фиг. 2 представлена зависимость поглощенной мощности (Вт) от напряженности электрического поля (В/см) СВЧ в образце : 1 - в воде; 2 - в яичной массе; 3 - потерь энергии за счет теплопередачи с площади поверхности образца объемом 65 см ³ (воды).

На фиг. 3 представлена зависимость мощности потерь СВЧ энергии (Вт) от напряженности электрического поля (В/см): 1 - поглощенной микроорганизмами; 2 - потерь энергии за счет теплопередачи с площади поверхности микроорганизмов.

На фиг. 4 изображена схема низкотемпературного СВЧ пастеризатора яичной массы: 1 - СВЧ генератор; 2 - резонаторная камера малой напряженности электрического поля (Е₁ ); 3 - дополнительная резонаторная камера высокой напряженности электрического поля (Е₂); 4 - диэлектрический трубопровод; 5 - яичная масса; 6 - излучатель от магнетрона; 7 - диэлектрическая пластина; 8 - фторопластовый наполнитель; 9 - насос для перекачивания яичной массы; 10 - регулятор мощности насоса; 11 - кожухотрубный теплообменник; 12 - охлаждающая жидкость; 13 - счетчик охлаждающей жидкости; 14 - термопары для контроля входной и выходной температуры жидкости; 15 - счетчик яичной массы; 16 - экран в виде трубы; 17,18 - приборы для контроля температуры яичной массы и напряженности электрического поля за пределами генератора.

На фиг. 5 изображена схема генераторного модуля СВЧ установки для пастеризации яичной массы при высокой напряженности электрического поля: 1 - СВЧ генератор; 2 - резонаторная камера малой напряженности электрического поля (Е₁); 3 - дополнительная резонаторная камера высокой напряженности электрического поля (Е₂); 4 - диэлектрический трубопровод; 5 - яичная масса; 6 - магнетрон; 7 - диэлектрическая пластина; 8 - фторопластовый наполнитель; 16 - экранный кожух в виде трубы из неферромагнитного материала.

На фиг. 6 приведена зависимость изменения ОМЧ в яичной массе от продолжительности обработки в ЭМПСВЧ при разной удельной мощности генератора. Зависимость изменения ОМЧ в яичной массе от продолжительности обработки в ЭМПСВЧ при разной удельной мощности СВЧ генератора: 1 - 16 Вт/г, 2 - 8 Вт/г; 3 - 5,33 Вт/г; 4 - 1,6 Вт/г.

На фиг. 7 представлена зависимость степени снижения ОМЧ в яичной массе от количества циклов воздействия при разной производительности СВЧ пастеризатора (мощность двух генераторов 2400 Вт): 1 - 10 кг/ч; 2 - 10,35 кг/ч; 3 - 15 кг/ч; 4 - 20 кг/ч.

На фиг. 8 представлена динамика нагрева яичной массы в процессе воздействия ЭМИ при удельной мощности: 1 - 12,3 Вт/г; 2 - 6,7 Вт/г, 3 - 4,4 Вт/г.

На фиг. 9 приведено расположение комплектующих узлов СВЧ установки для низкотемпературной пастеризации яичной массы в электрическом поле высокой напряженности сверхвысокой частоты: а) дополнительная резонаторная камера; б) монтаж дополнительной резонаторной камеры в камере СВЧ генератора.

На фиг. 10 приведено реальное исполнение низкотемпературного СВЧ пастеризатора яичной массы.

На фиг. 11 представлен кожухотрубный охладитель со счетчиком жидкости, протекающей в противотоке с яичной массой.

Для повышения подводимой к микроорганизму мощности электромагнитных излучений можно увеличить напряженность и частоту электрического поля. Для этого необходимо анализировать зависимость тангенса угла диэлектрических потерь воды от частоты СВЧ излучения. Токи резонансной поляризации (1,7см) затормаживают развитие микроорганизмов в яичной массе. Но частота электромагнитного поля в микроволновых печах всего 2450 МГц (12,24 см), поэтому эффективность нагрева необходимо повысить за счет увеличения напряженности электрического поля. Это дает возможность провести низкотемпературную пастеризацию яичной массы при температуре 30 35°С, что ниже температуры коагуляции белка, равной 40 42°С.

В связи с этим разработан СВЧ пастеризатор, где эффект пастеризации яичной массы достигается при низкотемпературном режиме за счет многократного циклического воздействия электрического поля высокой напряженности и охлаждения. При этом за счет дополнительного резонатора создается высокая напряженность электрического поля, обеспечивающая подавление развития микроорганизмов.

Обоснование напряженности электрического поля в объемном резонаторе СВЧ генератора, позволяющей пастеризовать яичную массу

За прототип взят способ стерилизации материалов при помощи СВЧ излучения с высокой напряженностью поля, изобретенный Корчагиным Ю.В. (патент № 2161505) [3].

Многие микроорганизмы (особенно бактерии, имеющие иногда до пяти защитных оболочек, с высоким тепловым сопротивлением, препятствующим эффективному нагреву при внешнем воздействии) оказываются совершенно беззащитными перед даже небольшим внутренним тепловыделением. Так как в этом случае защитные оболочки микроорганизмов только облегчают задачу их уничтожения, препятствуя отводу тепла из внутреннего объема бактериальных спор [3].

Однако для получения СВЧ излучения с напряженностью поля, достаточной для уничтожения микроорганизмов, требуется использование мощных генераторов, поэтому этот способ пастеризации не получил широкого распространения.

В основу данного изобретения положена задача - разработка простого способа пастеризации яичной массы без использования мощных генераторов, но с обеспечением напряженности электрического поля внутри резонатора той величины, при которой происходит уничтожение микроорганизмов, таких как бактерии вегетативной формы, за счет непосредственного поглощения ими энергии СВЧ.

Для лучшего понимания сущности предлагаемого способа пастеризации необходимо провести некоторые оценки. Оценим напряженность электрического поля СВЧ излучения, необходимую для уничтожения микроорганизмов путем непосредственного эндогенного нагрева содержащейся в них воды. Значение коэффициента затухания зависит от длины волны (12,24 см) и электрофизических свойств яичной массы, но не зависит от толщины слоя:

(1)

где - диэлектрическая проницаемость яичной массы; - тангенс угла диэлектрических потерь яичной массы; - длина волны в вакууме, см.

Глубина проникновения, на которой энергия уменьшается в e раз r =1/2a = 1/2·0,382 =1,31 см, поэтому радиус диэлектрического трубопровода, в котором происходит транспортирование яичной массы, равен 1,3 см.

Рассмотрим для сравнения случай нагрева воды и яичной массы в СВЧ печи полезной мощностью Р = 0,8 кВт. Радиус диэлектрического трубопровода равен r = 1,3 см, его длина d = 12,24 см; площадь образца равна 3,14·1,3² = 5,31 см ²; объем образца 3,14·1,3²·12,24 = 65 см³; содержание воды в яичной массе (меланже) 80%.

Известно, что объемная плотность мощности потерь энергии СВЧ в яичной массе пропорциональна квадрату напряженности поля, частоте поля, диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлектрических потерь:

(2)

где Р_уд - объемная плотность мощности потерь энергии СВЧ поля, Вт/см ³;

Е - напряженность электрического поля СВЧ излучения (напряженность электрического поля в объемном резонаторе 200 400 В/см в зависимости от внутреннего объема резонатора); - относительная диэлектрическая проницаемость образца; для воды при частоте 2450 МГц и температуре 18 °С диэлектрическая проницаемость равна = 78,8; диэлектрическая проницаемость при частоте 2450 МГц и температуре 20 °С белка равна 46,8; желтка - 52,1; tg - тангенс угла диэлектрических потерь воды - tg = 0,1; тангенс угла диэлектрических потерь белка равен 0,096; желтка - 0,175; ₀ = 8,85·10^-12 Ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; - угловая частота СВЧ излучения; /2· = 2,45·10⁹ Гц; для яичной массы можно считать приближенно как среднее значение: = (46,8 +52,1)/2 = 49,45; tg = 0,096 + 0,175 = 0,135.

1. Ниже приведем оценку процесса угнетения микроорганизмов , находящихся в яичной массе [3]. Значения удельной мощности, подсчитанные по формуле 2, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Сводная таблица расчетных значений.
Напряженность электрического поля, В/см	Объемная плотность мощности потерь энергии СВЧ излучений, Вт/см 3
вода	яичная масса
300	79,89	65,14
400	136,7	115,8
2500	5339	4523
25000	533931	452000
30000	768860	651000

Из анализа величины удельной мощности вытекают нижеприведенные выводы. При нахождении в электрическом поле СВЧ излучения с частотой 2450 МГц и напряженностью 300 В/см каждый грамм воды поглощает мощность 76,89 Вт, которая идет на нагрев (яичная масса - 65,10 Вт). Определим скорость нагрева образца воды радиусом 1,3 см, длиной 12,24 см, объемом 65 см³. Для этого надо оценить потери энергии за счет теплопередачи с площади образца:

(3)

Р_теплоп = 0,023·10 ^-2·100·80/1,3 = 142 Вт,

где коэффициент теплопередачи для воздуха составляет = 0,023 Вт/м·°С; площадь поверхности образца равна S = 2·3,14·r·L = 6,28·1,3·12,24 = 100 см²; - градиент температуры в направлении радиуса образца, °С/см.

Потеря энергии за счет теплового излучения:

; (4)

= 5,7·10^-8·100·10^-4 ·373⁴ = 11 Вт,

где - излучательная способность абсолютно черного тела равна 5,7·10^-8 Вт/м²·(°С) ⁴; температура поверхности воды T = 373 К.

В среднем эти суммарные потери энергии не превышают 153 Вт (плотность мощности в соответствии с объемом образца 65 см ³ составляет 153/65 = 2,35 Вт/см³). Это, соответственно, оказывается намного меньше подводимой к образцу энергии СВЧ: 65·76,89 = 4997,9 Вт; 153 < 4997,9 Вт. В этом случае для нагрева образца воды массой 65 г на 80 градусов (т.е. от 20 градусов до температуры кипения) потребуется энергия, в соответствии с теплоемкостью воды (4,19 Дж/г) равная 65·80·4,19 = 21788 Дж, и время нагрева составит 21788/4997,9 = 4,4 секунды.

Для яичной массы поглощаемая мощность СВЧ энергии 65·65,14 = 4234,1 Вт; 153 < 4234,1 Вт; для нагрева на 10° С потребуется энергия 65·10·3,45 = 2242,5 Дж, и время нагрева составит 2242,5/4234,1 = 0,5 секунд; (теплоемкость белка равна 4,1 кДж/кг °С, желтка 2,8 кДж/кг °С, яичной массы 3,45 кДж/кг °С).

Если напряженность электрического поля 400 В/см, то для яичной массы поглощаемая мощность СВЧ энергии составляет 65·115,8 = 7527 Вт; 153 < 7527 Вт, время нагрева 2242,5/7527 = 0,3 секунды.

2. Рассмотрим случай, когда размеры образца воды уменьшены от 1,3 см до 1,3·10 ^-4 см (т.е. в 10000 раз; объем равен 2,2·10 ^-12 см³, площадь поверхности образца - 6·(1,3·10^-4 )² = 10^-7 см²), что соответствует среднему характерному размеру микроорганизмов (фиг. 3).

В случае одиночной бактерии, находящейся в воздухе в электрическом поле СВЧ с напряженностью 300 В/см, поглощаемая мощность равна 76,89·2,2·10^-12 = 1,69·10 ^-10 Вт; при напряженности 400 В/см для яичной массы - 2,55·10^-10 Вт (если напряженность 2500В/см, то 4523 Вт/см³ ·2,2·10^-12 = 99,5·10 ^-10 Вт; если 25000 В/см, то 452300·2,2·10 ^-12 = 9944·10^-10 Вт; если 30000 В/см, то 651000·2,2·10^-12 = 0,14·10 ^-5 Вт); если 30000 В/см, образец вода, то 768860·2,2·10 ^-12 = 0,17·10^-5 Вт.

Теряемая мощность за счет теплопередачи при условном нагреве на 80°С составляет 0,023·10^-2·10^-7·80/1,3·10 ^-4 = 1,42·10^-5 Вт, а теряемая за счет теплового излучения -10^-7·10^-4 ·5,7·10^-8·373⁴ = 1,1·10 ^-8 Вт (в случае бактерий можно пренебречь).

Если нагреваем яичную массу на 10 градусов, то при ее теплопроводности 0,42 Вт/м·°С, теряемая мощность составляет 0,42·10^-2·10^-7·10/1,3·10 ^-4 = 3,23·10^-5 Вт.

Сопоставим поглощаемую и теряемую мощность микроорганизмами при разных напряженностях электрического поля:

1. Напряженность 300 В/см, образец вода при превышении температуры на 80 градусов. Теряемая в единицу времени за счет теплопередачи молекулам воздуха энергия (1,42·10^-5 Вт) на 5 порядков превышает поглощаемую энергию (1,69·10 ^-10 Вт). Это не позволяет существенно нагреть микроорганизмы при такой напряженности электрического поля;

2. Напряженность 400 В/см, образец яичная масса при превышении температуры на 10 градусов. Поглощаемая энергия 2,55·10^-10 Вт на 5 порядков меньше энергии, теряемой в единицу времени за счет теплопередачи молекулам воздуха - 3,23·10^-5 Вт;

3. Напряженность 2500 В/см, образец яичная масса при превышении температуры на 10 градусов. Поглощаемая энергия 10 ^-8 Вт на 3 порядка меньше, чем энергия, теряемая за счет теплопередачи - 3,23·10^-5 Вт;

4. Напряженность 25000 В/см, образец яичная масса при превышении температуры на 10 градусов. Поглощаемая энергия 10^-6 Вт в 30 раз ниже, чем теряемая в единицу времени за счет теплопередачи - 3,23·10 ^-5 Вт;

5. Напряженность 30000 В/см, образец яичная масса при превышении температуры на 10 градусов. Поглощаемая энергия 0,14·10^-5 Вт в 23 раза больше, чем теряемая в единицу времени за счет теплопередачи - 3,23·10^-5 Вт. При напряженности 30 кВ/см может происходить подавление микроорганизмов, так как потери энергии за счет теплопередачи существенно не отличаются для равновесного нагрева, чтобы достичь необходимого баланса между поглощением и излучением энергии микроорганизма.

Зависимость предельной напряженности электрического поля от превышения температуры нагрева яичной массы при разной длине волны СВЧ излучения представлена на фиг. 1. Зависимость поглощенной мощности и мощности потерь от напряженности электрического поля СВЧ в образце объемом 65 см³ представлена на фиг.2.

Ниже вычислим ту предельную напряженность электрического поля, при которой происходит существенный нагрев микроорганизмов, позволяющий пастеризовать яичную массу:

где - коэффициент теплопроводности воздуха (2,3·10 ^-4 Вт/см·°С); S - площадь поверхности образца, см; - перепад температуры между образцом и окружающим воздухом, °С; f = /2· - частота электромагнитного поля, Гц.

При нагреве образца воды на 80 градусов выравнивание поглощаемой энергии и потери энергии за счет теплопередачи с площади поверхности микроорганизмов происходит, если напряженность электрического поля 87 кВ/см.

При нагреве образца яичной массы на 10 градусов выравнивание поглощаемой энергии и потери энергии за счет теплопередачи с площади поверхности микроорганизмов происходит, если напряженность электрического поля 33,6 кВ/см, т.е. в таком электрическом поле становится возможным сильный нагрев одиночных микроорганизмов (фиг. 3).

Для эффективной пастеризации яичной массы за счет непосредственного нагрева микроорганизмов воздействием СВЧ излучения, напряженность электрического поля должна быть не менее 33,6 кВ/см. Для этого нужно использовать резонаторную камеру с достаточно высокой добротностью.

Напряженность электрического поля, необходимая для нагрева микроорганизма, достаточно высокая, примерно равная пробивной напряженности воздуха (30 кВ/см) при атмосферном давлении в диапазоне СВЧ. Для обеспечения напряженности электрического поля в пределах 30 кВ/см необходимо внутри резонаторной камеры СВЧ печи установить дополнительную резонаторную камеру на уровне магнетрона, изготовленную из неферромагнитного материала (алюминий, медь, латунь), объемом 0,5 2 литра (500 2000 см³) с добротностью около 150 300 (см. фиг. 9 или фиг.5, позиция 8). Через эту дополнительную резонаторную камеру необходимо проложить диэлектрический трубопровод, внутри которого транспортируется яичная масса объемом 65 см ³ (3,14·(1,3)²·12,24 = 65 см³ ). Для снижения возможности пробоя дополнительный резонатор заполнен фторопластом.

В этом случае напряженность электрического поля в дополнительном резонаторе составит в пределах 14 кВ/см.

Е = Р·Q / 0,27· ₀·V· =

= (700 800)·150 / 0,27·8,85·10^-12·2·2·3,14·2450·10 ⁶ = 14 16,3 кВ/см, (6)

где Р - мощность источника СВЧ излучения, Вт; Q - добротность резонатора; V - объем резонатора, м³, который обычно выбирается как V = ³ (или 1 литр при длине волны 12,24 см), где - длина волны СВЧ излучения в свободном пространстве.

Тогда яичная масса с помощью одного генератора нагреется не на 10 °С, а всего на 2...5 °С, поэтому последовательно можно устанавливать два генератора, через дополнительные резонаторы которых несколько раз перекачивать яичную массу. Если используется один генератор, то необходимо увеличить количество циклов. Так как продолжительность нагрева микроорганизмов всего 0,5 4 секунды, яичную массу можно перекачивать с помощью насоса многократно, чередуя нагрев и охлаждение.

Напряженность электрического поля в центре резонатора зависит от его добротности. Если добротность выше 300, то напряженность электрического поля внутри дополнительного резонатора может быть выше. Порог пробоя воздуха в диапазоне СВЧ излучений равен 30 кВ/см (фиг.1).

Установка для низкотемпературной пастеризации яичной массы при высокой напряженности электрического поля сверхвысокой частоты

Схема низкотемпературного СВЧ пастеризатора яичной массы представлена на фиг. 4. Она включает СВЧ генератор 1 (количество генераторов влияет на производительность установки) с основной резонаторной камерой низкой напряженности электрического поля 2, внутри которой установлена дополнительная резонаторная камера 3 высокой напряженности электрического поля. Дополнительная резонаторная камера 3 высокой напряженности выполнена в виде цилиндра с основаниями, имеющими отверстия для прокладки фторопластового трубопровода 4. На боковой стороне дополнительной резонаторной камеры имеется отверстие для излучателя от магнетрона 6. Через основную и дополнительную резонаторные камеры проложен фторопластовый трубопровод 4 так, что составляет замкнутый контур для кругового перекачивания яичной массы 5. Причем диэлектрический (фторопластовый) трубопровод проходит через основания дополнительной резонаторной камеры 3. Объем дополнительной резонаторной камеры 3 высокой напряженности электрического поля в несколько раз меньше объема основной резонаторной камеры низкой напряженности. Резонаторная камера высокой напряженности установлена боковой стороной напротив излучателя магнетрона 6 и жестко прикреплена к стенке основной резонаторной камеры 2 низкой напряженности (фиг.5). Волновод 6 закрыт диэлектрической пластиной 7. Внутри дополнительной резонаторной камеры 3 находится фторопластовый наполнитель 8. Эта дополнительная резонаторная камера 3 предназначена для обеспечения высокой напряженности электрического поля. Яичная масса 5 перекачивается по диэлектрическому трубопроводу 4 с помощью насоса 9, мощность которого регулируется переключателем 10. Кожухотрубный теплообменник 11 охватывает часть диэлектрического трубопровода 4 за пределами СВЧ генератора. Охлаждающая жидкость 12, расход и температура которой контролируются счетчиком 13 и датчиком 14, перекачивается через кольцевое пространство кожухотрубного теплообменника 11. В трубопровод вмонтирован также счетчик яичной массы 15 и приборы для контроля температуры продукта 17, а также для контроля напряженности электрического поля 18 за пределами генератора. Имеется экранный кожух 16 за пределами резонаторной камеры, выполненный из неферромагнитного материала, а также патрубки на трубопроводе для подачи яичной массы и слива готового меланжа.

Установка для низкотемпературной пастеризации яичной массы работает следующим образом. Заливают яичную массу 5 через патрубок в диэлектрический трубопровод 4. Включают насос 9 для перекачивания яичной массы 5 и далее СВЧ генератор 1 на определенную мощность. В дополнительной резонаторной камере 3 возникает электромагнитное поле высокой напряженности , так как излучатель от магнетрона 6 (волновод покрыт диэлектрической пластиной 7) находится в дополнительной резонаторной камере 3 малого объема из неферромагнитного материала (материал должен обеспечить высокую добротность). Соотношение габаритных размеров этой дополнительной резонаторной камеры согласовано с длиной волны 12,24 см. В основной камере 2 возникает электромагнитное поле низкой напряженности только за счет краевого эффекта в местах стыка дополнительной резонаторной камеры 3. Яичная масса 5, протекая в диэлектрическом трубопроводе 4 в процессе перекачивания, нагревается эндогенно (с 7 20 °С до 32°С) за счет токов поляризации в той части диэлектрического трубопровода, которая находится в дополнительной резонаторной камере 3. Уложенный в виде замкнутого круга диэлектрический трубопровод 4 позволяет перекачивать яичную массу 5 многократно с помощью насоса 9, мощность которого регулируется переключателем 10. В процессе многократного перекачивания яичной массы через дополнительную резонаторную камеру она многократно подвергается воздействию электромагнитного поля высокой напряженности сверхвысокочастотного диапазона. Часть трубопровода за пределами дополнительной резонаторной камеры покрыта экраном 16, это снижает загрязнение окружающей среды радиоволнами, что и контролируется с помощью измерителя 18 напряженности электрического поля (например, марки П3- 50 А). Контроль температуры охлаждающей жидкости и яичной массы осуществляется с помощью датчиков температуры 14,17. Расход яичной массы и охлаждающей жидкости фиксируется с помощью счетчиков 15 и 13. Производительность насоса регулируется за счет изменения его мощности 10.

В связи с тем, что внутри резонаторной камеры 2 (где напряженность электрического поля в пределах 100 300 В/см) установлена дополнительная резонаторная камера 3 намного меньшей емкости (0,5 2 литра), то напряженность электрического поля в ней в сотни раз выше (1 .30 кВ/см). Следовательно, яичная масса 5 при перекачивании через дополнительную резонаторную камеру 3 оказывается под воздействием электрического поля высокой напряженности и нагревается, далее охлаждается в кожухотрубном теплообменнике 11. Размеры дополнительной резонаторной камеры согласованы с длиной волны, поэтому система работает в соответствующей частоте 2450 МГц. Для исключения пробоя дополнительная резонаторная камера 3 заполнена фторопластом 8 так, что через него проложен диэлектрический трубопровод 4 (фиг.4, фиг.5, фиг.9, 10).

Яичная масса перекачивается по кольцевому трубопроводу с помощью насоса многократно. За счет многократного циклического воздействия (эндогенный нагрев при высокой напряженности электрического поля и охлаждение) яичная масса (фиг.4, фиг.11) пастеризуется при низкой температуре, т.е. происходит затормаживание бактериальной микрофлоры вегетативной формы. Охлаждающая жидкость 12 циркулируется через водопроводную сеть и ее расход контролируется с помощью счетчика 13.

Цикл повторяется многократно, при нагреве водосодержащего сырья, воздействие осуществляется за счет тепловой энергии, выделяющейся в объеме самого микроорганизма. Защитные оболочки микроорганизмов препятствуют отводу тепла из внутреннего объема. Во время многократного циклического воздействия электрического поля высокой напряженности СВЧ диапазона происходит сильный их нагрев, что и затормаживает их развитие.

Итак, созданный сверхвысокочастотный низкотемпературный пастеризатор яичной массы с дополнительной резонаторной камерой и кожухотрубном охладителем позволяет снизить общее микробное число в яичной массе в циклическом режиме за счет многократного воздействия электрического поля высокой напряженности (фиг.6).

Преимущества разработанного СВЧ пастеризатора: увеличение сроков хранения и реализации с сохранением высоких вкусовых и потребительских качеств пастеризованного продукта; подавление жизнедеятельности микроорганизмов вегетативной формы; снижение удельных энергетических затрат на пастеризацию яичной массы; частичная гомогенизация за счет молекулярного трения в процессе транспортирования внутри диэлектрического трубопровода; возможность пастеризации при температуре 30 32°С.

Цикл повторяется несколько раз в зависимости от степени снижения общего микробного числа исходного сырья. Исследования показывают (фиг.8), что критическая температура нагрева, при которой не происходит коагуляция белка, составляет 30 32°С, чего можно достичь за 6 16 с, в зависимости от удельной мощности генератора, соответственно, 12 4,4 Вт/г.

За счет многократного циклического воздействия СВЧ энергией высокой напряженности электрического поля (14 кВ/см) происходит подавление жизнедеятельности микроорганизмов в яичной массе с сохранением вкусовых качеств пастеризованного продукта (качество сертифицировано в государственном учреждении «Чувашская республиканская ветеринарная лаборатория» Госветслужбы Чувашии). В процессе перекачивания яичной массы через диэлектрический трубопровод с помощью насоса происходит ее частичная гомогенизация за счет молекулярного трения. Низкотемпературная пастеризация яичной массы за счет многократной циклической обработки в электромагнитном поле высокой напряженности диапазона СВЧ с последующим охлаждением до 20°С снижает удельные энергетические затраты с 0,18 Вт·ч/г до 0,085 Вт·ч/г по сравнению с базовым вариантом.

Из анализа моделей вытекает, что снижение общего микробного числа (ОМЧ) в яичной массе до допустимого уровня 500 тыс. КОЕ/г с исходным содержанием ОМЧ, равным 2,1·10⁶ КОЕ/г, происходит при удельной мощности 6 16 Вт/г (фиг.6) и общей продолжительности обработки в ЭМПСВЧ 20 50с (фиг.7), скорости нагрева 1,0 1,2°С/с (фиг. 8).

Полученные зависимости ОМЧ в яичной массе от продолжительности обработки в ЭМПСВЧ приведены на фиг.6.

Эффективный режим пастеризации следующий: при удельной мощности 4,4 16 Вт/г (фиг.6,8) производительность составляет 10 15 кг/ч, а повышение температуры нагрева продукта за один цикл достигает 2 10°C (конечная температура 30 32°C); при начальной температуре охлаждающей жидкости в кольцевом пространстве кожухотрубного теплообменника 5 13°C температура яичной массы понижается на 10 12°C; удельные энергетические затраты на пастеризацию составляют 0,085 0,1 Вт·ч/г.

Эффективные режимные параметры низкотемпературного СВЧ пастеризатора яичной массы приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Технические характеристики СВЧ пастеризатора яичной массы
№	Наименование	Для пастеризации яичной массы
1	Производительность, кг/ч	10
2	Продолжительность воздействия одного цикла, с	4 6
3	Температура нагрева сырья за один цикл, °С	на 10
4	Удельная мощность СВЧ генератора, Вт/г	4,4 16
5	Потребляемая мощность СВЧ генераторов, Вт	2400
6	Количество циклов воздействия	5 10
7	Удельные энергетические затраты, Вт·ч/г	0,085

Источники информации

1. Патент № 1797466 «Устройство для тепловой обработки жидкости».

2. Патент № 2365323 «Установка для варки меланжа диэлектрическим нагревом».

3. Патент № 2161505 «Способ стерилизации материалов при помощи СВЧ излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа».