CC BY
57
УДК 621.373; 577.2; 577.3
doi: 10.20998/2074-272X.2018.3.07
Н.И. Бойко, А.В. Макогон, А.И. Маринин
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБЕЗЗАРАЖИВАЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ТЕКУЧИХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ПРИ ПОМОЩИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Мета. Експериментально визначити рацюнальж режими и енергоефективжсть знезаражуючоТ обробки текучих харчових продуктов за допомогою високовольтних тпульсних дш у nopie^nni з традицшною nастеpизацiею. Методика. Для одержання високовольтних тпульсш на робочих камерах - навантажент генератора застосована методика генерування iмnульсiв за допомогою тдвищувального трансформатора, високовольтних тпульсних кoнденсатopiв i розряднишв з системою загострення фронту шпульсш. 1мпульси на навантаженш вимipювалися за допомогою низь-коомного резистивного дшьника напруги, передавались по широкосмуговому коакаальному кабелю i рееструвались за допомогою аналогового осцилографа С8-12 або цифрового осцилографа Rigol DS1102E зi смугою пропускання 100 МГц у кожного. Рoбoчi камери заповнювались водою, молоком або молочною сироваткою i складалися з кшьцевидного корпусу, який виготовлено з фторопласта, i металевих електpoдiв, що створюють дно и кришку камери, мають плоск накладки з харчовоТ наржавтчоТ стал для контакту з харчовим продуктом усередин камери. Результаты. Одержано висoкoвoльтni тпульси на наваnтаженш генератора з тривалстю по oснoвi 300-1200 нс при частотах прохо-дження iмnульсiв до 500 мп/с Експериментально одержан амплтуди iмnульсiв напруги на наваnтаженш генератора - до 75 кВ, а напруженост1 електричного поля - до 35 кВ/см в робочих камерах з зазором 22 мм i до 50 кВ/см в робочих камерах з зазором 15 мм. Вказаni характеристики тпульав дозволили здшснити повну i незворотну нактивацт мiкpoopганiзмiв в харчових piдинах в робочих камерах. Наукова новизна. Показано, що кнують режими обробки харчо-вих продукт в за допомогою високовольтних мпульсних д й, як дозволяють краще зберегти б олог чну харчову ц н-нсть продукт1в nopiвнянo з тепловою обробкою при Тх повному знезаpажуваннi и при суттево менших питомих енер-говитратах. Практична значущ сть. Одержан експериментально режими обробки молока, молочноТ сироватки и води з зменшеними питомими енерговитратами в дкривають перспективу промислового застосування комплексу високовольтних тпульсних дш для знезаражуючоТ обробки водовтсних харчових продукты. Бiбл. 7, табл. 3, рис. 10. Ключовi слова: генератор високовольтних iмпульсiв, трансформатор, конденсатор, багатозазорний розрядник, бага-токанальний розрядник, робоча камера, знезаражуюча обробка харчових продукпв.
Цель. Экспериментально определить рациональные режимы и энергоэффективность обеззараживающей обработки текучих пищевых продуктов при помощи высоковольтных импульсных воздействий в сравнении с традиционной пастеризацией. Методика. Для получения высоковольтных импульсов на рабочих камерах - нагрузке генератора применена методика генерирования импульсов при помощи повышающего трансформатора, высоковольтных импульсных конденсаторов и разрядников с системой обострения фронта импульсов. Импульсы на нагрузке измерялись при помощи низко-омного резистивного делителя напряжения, передавались по широкополосному коаксиальному кабелю и регистрировались при помощи аналогового осциллографа С8-12 или цифрового осциллографа Rigol DS1102E с полосой пропускания 100 МГц у каждого. Рабочие камеры заполнялись водой, молоком или молочной сывороткой и состояли из кольцеобразного корпуса, выполненного из фторопласта, и металлических электродов, образующих дно и крышку камеры, имеющих плоские накладки из пищевой нержавеющей стали для контакта с пищевым продуктом внутри камеры. Результаты. Получены высоковольтные импульсы на нагрузке генератора с длительностью по основанию 300-1200 нс при частотах следования импульсов до 500 имп/с. Экспериментально полученные амплитуды импульсов напряжения на нагрузке генератора - до 75 кВ, а напряженности электрического поля - до 35 кВ/см в рабочих камерах с зазором 22 мм и до 50 кВ/см в рабочих камерах с зазором 15 мм. Указанные характеристики импульсов позволили осуществить полную и необратимую инактивацию микроорганизмов в пищевых жидкостях в рабочих камерах. Научная новизна. Показано, что существуют режимы обработки пищевых продуктов при помощи высоковольтных импульсных воздействий, позволяющие лучше сохранить биологическую и пищевую ценность продуктов по сравнению с тепловой обработкой при их полном обеззараживании и при существенно меньших удельных энергозатратах. Практическая значимость. Полученные экспериментально режимы обработки молока, молочной сыворотки и воды с уменьшенными удельными энергозатратами открывают перспективу промышленного применения комплекса высоковольтных импульсных воздействий для обеззараживающей обработки водосодержащих пищевых продуктов. Библ. 7, табл. 3, рис. 10.
Ключевые слова: генератор высоковольтных импульсов, трансформатор, конденсатор, многозазорный разрядник, многоканальный разрядник, рабочая камера, обеззараживающая обработка пищевых продуктов.
Введение. Традиционные тепловые способы обеззараживающей обработки (пастеризация и тепловая стерилизация) жидких пищевых продуктов, вино-материалов, напитков являются энергозатратными и не позволяют в достаточной степени сохранить их исходную биологическую и пищевую ценность [1, 2]. Одним из наиболее перспективных способов нетепловой обеззараживающей обработки продуктов является способ обработки при помощи комплекса высоковольтных импульсных воздействий (КВИВ). В англоязычной научной литературе используется термин - PEF-treatment (PEF - pulsed electric field, обработка при по-
мощи импульсного электрического поля). В большинстве своем жидкие пищевые продукты являются водо-содержащими. Поэтому важным является вопрос и о рациональных режимах обеззараживающей КВИВ обработки воды.
Цель работы - экспериментально определить рациональные режимы и энергоэффективность обеззараживающей обработки текучих пищевых продуктов при помощи высоковольтных импульсных воздействий в сравнении с традиционной пастеризацией.
© Н.И. Бойко, А.В. Макогон, А.И. Маринин
Экспериментальная установка. Для проведения экспериментальных исследований использовалась установка, которая впервые описана в [3]. Электрическая схема установки с системой управления приведена на рис. 1.
формируются импульсы высокого напряжения (до 120 кВ) и тока обеих полярностей с частотой следования до 500 имп/с. Кнопкой SB4 отключается подача напряжения на фильтр L0 - С0 и на первичную обмотку трансформатора Tr. Нажатием кнопки SB2 выключается электродвигатель M насоса.
Рабочие камеры. Рабочие камеры (РК), которые являются нагрузкой для КВИВ установки, делятся на стационарные и проточные. В стационарных камерах замена порций продукта осуществляется вручную, а в проточных камерах - благодаря протоку через камеру, который обеспечивает насос и система перекачивания. Последняя содержит емкости для подачи и приема обрабатываемого текучего продукта и шланги. Именно в РК выделяется энергия, яка исходно запасается в основном высоковольтном конденсаторе установки.
Типовые стационарные и проточные камеры приведены на рис. 2 и рис. 3 соответственно.
Рис. 2. Вариант стационарной РК с крышкой - электродом, расположенным рядом
2 ,
вывод
Рис. 1. Электрическая схема КВИВ-установки с системой управления
Установка состоит из низковольтной и высоковольтной частей. Высоковольтная часть состоит из генератора высоковольтных импульсов и нагрузки -рабочей камеры WCH. Генератор содержит стартовый каскад (C1, DCI) и два каскада обострения (C2, DC2 и C3, DC3). Каждый каскад содержит конденсатор и разрядник. Разрядник DC1 стартового каскада является многозазорным. Все разрядники - многоканальные. В простейшем режиме работы установки используется только первый каскад. Недостатком этого режима является недостаточная крутизна фронта импульсов на нагрузке - рабочей камере WCH. Поэтому основная часть экспериментов проведена с использованием всех трех каскадов.
После подключения к трехфазному источнику питания при проточной обработке нажатием кнопки SB1 запускается электродвигатель M насоса, перекачивающего обрабатываемый продукт через рабочую камеру WCH. Нажатием кнопки SB3 подается напряжение на реле K2, замыкаются его контакты K2.1, K2.2, K2.3, и фазное напряжение силовой сети через фильтр L0 - C0 подается на первичную (низковольтную) обмотку трансформатора Tr, запуская в работу установку. В результате на нагрузке - рабочей камере WCH,
б
Рис. 3
вариант конструкции проточной технологической РК: 1, 2 - электроды, 3 - внутренний объем камеры, 4 - диэлектрический корпус; б - фото РК
Экспериментальные исследования методов КВИВ обработки (РЕР4геа1шеП) пищевых продуктов и очистки воды. Экспериментально исследовали влияние КВИВ обработки на микробиологическую обсемененность, санитарно-гигиенические свойства и органолептические показатели молока, молочной сыворотки и воды. Исследования проводились в разных режимах обработки в стационарных и проточных РК на КВИВ установке, описанной выше.
Фото работающей КВИВ установки во время проведения экспериментов показано на рис. 4. Обрабатываемый продукт заливали в РК, которую предварительно стерилизовали при помощи спиртовой горелки, и закрывали камеру стерилизованной крышкой. Использовались камеры двух типоразмеров: с межэлектродным промежутком (расстояние между дисковой крышкой камеры и ее днищем) 15 мм и с межэлектродным промежутком 22 мм. Варьировали время обработки от 10 с до 30 с. На рис. 5 показана РК с межэлектродным промежутком 22 мм.
Рис. 4. Фото работающей КВИВ установки
с коэффициентом деления £¿=1000. В качестве регистрирующего устройства использовался аналоговый запоминающий осциллограф С8-12 с полосой пропускания 100 МГц и цифровой осциллограф RIGOL DS1102E с полосой пропускания 100 МГц.
Для защиты от электромагнитных помех осциллограф располагался в экранирующей кабине с экранированной по контуру дверью. Сигнал от низковольтного плеча делителя напряжения до осциллографа в измерительной кабине подавался при помощи коаксиального кабеля с двойной оплеткой. Дверь в измерительной кабине может открываться и закрываться плотно как извне, так и изнутри.
в г
Для измерения характеристик импульсов на нагрузке КВИВ установки - рабочей камере использовался резистивный низкоомный делитель напряжения
Рис. 5. Рабочая камера с межэлектродным промежутком 22 мм: а - корпус из фторопласта, б - крышка, в - межэлектродный промежуток 22 мм, г - крышка возле камеры
Исследовалось инактивирующее действие КВИВ на различные молочные продукты (молоко, сыворотку, йогурт), а также на воду. При этом воду к экспериментам готовили наши коллеги - соисполнители из Национального университета пищевых технологий (НУПТ), город Киев. Брали воду «София киевская» и обсеменяли ее бактериями группы кишечной палочки (Б-соИ). При каждом режиме обработки всех исследуемых жидкостей делали три повторения.
Величины межэлектродных промежутков в искровых разрядниках имели следующие значения: для многозазорного разрядника (МЗР) величина отдельного промежутка - приблизительно 5 мм, для первого обостряющего разрядника - приблизительно 20 мм, для второго обостряющего разрядника - приблизительно 20 мм. При этом количество задействованных промежутков в МЗР составляла от 4 до 7 включительно.
Обработка образцов текучих продуктов и воды в РК во всех режимах проводилась импульсами обеих полярностей. За период 20 мс сетевого переменного напряжения в течение полупериода положительного напряжения 10 мс в РК поступало приблизительно 4 импульса одной полярности, а за полупериод отрицательного напряжения 10 мс в РК поступало приблизительно 4 импульса другой полярности.
Результаты экспериментальных исследований методов КВИВ обработки (РЕР4геа1шеП). На рис. 6 приведена осциллограмма импульсов на РК с молоком при 7 раскороченных зазорах из 8 в многозазорном разряднике - МЗР без влияния электромагнитных помех и с явно видным фронтом импульса.
Рис. 6. Типичная осциллограмма импульса напряжения на
РК с сырым молоком. Цена деления по оси времени 50 нс/дел; по оси процесса 20 кВ/дел. В многозазорном разряднике раскорочено 7 зазоров из 8. Зазор в РК d = 22 мм
Из осциллограммы следует, что длительность фронта импульса в молоке составляет примерно 20 нс, а длительность импульса по основанию до перехода через нуль составляет примерно 300 нс. Амплитуда импульса напряжения - не менее 60 кВ. Отсюда следует, что амплитуда напряженности электрического поля в молоке 60/2,2-27,3 кВ/см. Важно и то, что в молоке, которое имеет удельное сопротивление меньше, чем водопроводная или столовая вода, форма импульса -слабо колебательная.
На рис. 7 представлена типичная осциллограмма импульсного напряжения на РК с водой, обсемененной E-coli. Осциллограмма получена при помощи цифрового осциллографа Rigol 1102 E.
Из осциллограммы на рис. 7 следует, что амплитуда напряжения на РК с водой в данном режиме КВИВ обработки не меньше, чем 72 кВ, длительность импульса по основанию составляет приблизительно 1200 нс, а форма импульса - апериодическая, однопо-лярная, через нулевую линию не переходит. Нулевая линия указана на рис. 7 и далее стрелкой, расположенной слева от осциллограммы.
RIGÜL STOP <Ш - f О -7.60U
*
:
Е
,,,, Е
Е
Е
Ш1Н 10.вин Time 200.0ns №9.0000s
Рис. 7. Типичная осциллограмма импульса напряжения на рабочей камере с водой «София киевская», обсемененной E-coli. Цена деления по оси времени 200 нс/дел; по оси процесса 20 кВ/дел. В многозазорном разряднике раскорочено 6 зазоров из 8. Зазор в РК d=22 мм. Использован низкоомный резистивный делитель напряжения с коэффициентом деления кд ~ 2000
Два дополнительных всплеска на спаде импульса на этой осциллограмме, а также на других осциллограммах, обусловлены наличием трех высоковольтных емкостных накопителей: основного и двух обостряю-
щих. Фронтовая часть импульса обусловлена последним (вторым) каскадом обострения со вторым обостряющим емкостным накопителем, первый дополнительный всплеск на спаде импульса обусловлен наличием первого каскада обострения с первым обостряющим емкостным накопителем, а второй дополнительный всплеск на спаде импульса обусловлен наличием основного высоковольтного емкостного накопителя.
Результаты микробиологических анализов воды приведены в табл. 1.
Таблица 1
Обнаружение бактерий семейства Е.еоН в воде
Наименование показателя (единицы измерения КОЕ/см3) Результаты исследований, КОЕ/см3 Режим обработки приблизительный, (E, кВ/см) Режим обработки расчетный, (E, кВ/см) Время обработки (t, с)
Вода стерильная. Разведение E.coli 106 210 30 20,09 10
Вода стерильная. Разведение E.coli 106 0 30 31,8 20
Вода стерильная. Разведение E.coli 108 60 30 19,0 10
Вода стерильная. Разведение E.coli 108 0 30 1,8 20
*Прим.: КОЕ - колониеобразующие единицы.
На рис. 8 представлена типичная осциллограмма импульсного напряжения на РК с молочной сывороткой.
RIGOL STOP в f Q -7.60LJ
$
Е
Е
,,,, ,,,, ,,,, ,,,, " 1'Г ,,,, ,,,, ,,,, ,,,,
PI
Е
^ Е
10.0UIS Time 200.0ns Ot0.0000s
Рис. 8. Типичная осциллограмма импульсного напряжения на РК с молочной сывороткой. Цена деления по оси времени
200 нс/дел; по оси процесса 10 кВ/ дел. В многозазорном разряднике раскорочено 6 зазоров из 8. Зазор в РК d=22 мм. Использован низкоомный резистивный делитель напряжения с коэффициентом деления кд ~ 1000
Длительность импульса по основанию на осциллограмме (рис. 8) приблизительно 350 нс. Форма импульса - колебательная с большим декрементом колебаний. Амплитуда импульса напряжения на этой осциллограмме - приблизительно 45 кВ, а амплитуда напряженности - приблизительно 20,45 кВ/см.
На рис. 9 представлена типичная осциллограмма импульсного напряжения на РК с сырым молоком.
RIEDL STOP в -Т™^™,™ f О -7.60U
ч j
,,,, ,,,, ,,,, " ,,,, ,,,, ,,,, ,,,,
:
:
:
[Щ1Н 10 .0U 13 Time 200.0ns О+0.0000s
Рис. 9. Типичная осциллограмма импульсного напряжения на РК с сырым молоком. Цена деления по оси времени 200 нс/дел; по оси процесса 10 кВ/дел. В многозазорном разряднике раскорочено 6 зазоров из 8. Зазор в РК d=22 мм.
Использовался низкоомный резистивный делитель напряжения с коэффициентом деления кд ~ 1000
Результаты микробиологических анализов молочной сыворотки, обработанной при помощи КВИВ импульсами, образец-осциллограмма которых представлен на рис. 8, приведены в табл. 2-5.
Таблица 2
Результаты анализов по выявлению бактерий семейства
E.coli в молочной сыворотке после КВИВ обработки
Наименование показателя, единицы измерения КОЕ/см3 Е.еоН Результат, КОЕ/см3
при Е~30 кВ/см, общем времени обработки t=10 с и разведении 106 30
при Е~30 кВ/см, общем времени обработки t=20 с и разведении 106 0
при Е~30 кВ/см, общем времени обработки 1=10 с и разведении 108 20
при Е~30 кВ/см, общем времени обработки t=20 с и разведении 108 0
Из табл. 2 следует, что после КВИВ обработки молочной сыворотки в РК в течение 20 с высоковольтными импульсами (см. рис. 8), гарантировано
происходит полная инактивация бактерий E. coli. При обработке в течение 10 с остаются не инактивирован-ными от 20 до 30 колониеобразующих единиц. Т.е. подтверждено экспериментально существование режима полной гарантированной инактивации при КВИВ - обработке продуктов. В контрольных (не обработанных при помощи КВИВ) образцах молочной сыворотки наблюдался сплошной рост бактерий E.coli (>>1000 КОЕ/см3).
Длительность импульса по основанию на осциллограмме на рис. 9. приблизительно 350 нс. Форма импульса - колебательная с большим декрементом колебаний (слабо колебательная). Амплитуда импульса напряжения на этой осциллограмме - приблизительно 60 кВ, а амплитуда напряженности - приблизительно 60/2,2-27,3 кВ/см.
Результаты лабораторных исследований физико-химических показателей молока после КВИВ обработки (см. рис. 9) приведены в табл. 3.
Из результатов, приведенных в табл. 6, следует, что в КВИВ-обработанном молоке есть фермент пе-роксидаза, отсутствие которого характерно для топленого, ультрапастеризованого, стерилизованного молока, то есть молока, которое поддавалось обработке большими температурами (больше 100 °С). Однако, в КВИВ-обработанном молоке не выявлен фермент фосфатаза, отсутствие которого характерно для пастеризованного молока. Кроме того, из данных табл. 6 следует, что количество витамина С, весьма чувствительного к различным обработкам, после КВИВ-обработки сохранилось на уровне, отвечающем требованиям нормативной документации (НД), то есть КВИВ-обработка - мягкая обработка. Все анализы (микробиологические и санитарно-гигиенические) обработанных и контрольных проб водосодержащих пищевых продуктов и воды провели специалисты коммунального предприятия «Санэпидсервис» (КП «СЭС», г. Харьков). Это предприятие аккредитовано Национальным агентством Украины по аккредитации (аттестат аккредитации № 2Н1207 от 25.02.2015 г.).
Таблица 3
Физико-химические показатели исходно сырого молока после КВИВ обработки
Наименование показателя, единицы измерения НД на методы испытаний Результат исследования Значение показателя согласно НД Соответствие НД
1 2 3 4 5
Определение массовой части витамина С титриметрическим методом в пищевых продуктах
массовая часть витамина С, млн-1 ГОСТ 30627.2-98 5,0 не регламентировано соответствует НД
Оп ределение пероксидазы методом качественного анализа в пищевых продуктах
пероксидаза для топленого, ультрапастеризо-ваного, стерилизованного молока ДСТУ 7380:2013 выявлена отсутствует не соответствует
Определение фосфатазы молока и молочных продуктов методом качественного анализа
фосфатаза для пастеризованного молока ДСТУ 7380:2013 не выявлена отсутствует соответствует
Энергетическая эффективность высоковольтного макета КВИВ-установки. Энергетическая эффективность определяется двумя составляющими: высокой степени микробиологического (микробиального) обеззараживания обрабатываемого продукта при дан-
ном удельном энерговкладе и уменьшенного удельного энергопотребления по сравнению с известными методами (например, тепловой стерилизацией и пастеризацией). Первую составляющую можно оценить, проведя КВИВ-обработку и сделав соответствующие
микробиологические анализы обработанного продукта (воды, молока, молочной сыворотки). Вторую составляющую энергетической эффективности можно оценить, исходя из того, какая часть энергии, потребленной из сети электропитания КВИВ-установкой, доставлена в РК и там выделена, приведя к требуемой степени инактивации микроорганизмов в воде. Поскольку во всех элементах КВИВ-установки, в том числе в высоковольтных конденсаторах, трансформаторе и разрядниках выделяется суммарно не более 0,1 потребленной из сети энергии, то к.п.д. установки можно оценить как 0,9, или 90 % [4-6]. Сложнее оценить сколько же энергии выделено в РК. Сделаем это при помощи осциллограмм импульсов напряжения на РК с обрабатываемым продуктом. Типичная осциллограмма импульса напряжения на камере с обрабатываемой водой приведена на рис. 10.
RIGOL STOP (Ш ™лдлллл,!^дллллдллл f О 0.00UU
(//0,7) = RwCh■Chv, (2)
где / - длительность импульса по полувысоте, а //0,7 -длительность импульса до спада измеряемой величины от амплитудного значения в е ~ 2,71828 раз.
Для данной установки С^ ~ 10-8 Ф, / ~ 380 нс (см. осциллограмму на рис. 10). Таким образом Rwch = (//0,7)/^ = (3,8-10-7/0,7)/10-8 ~ 54,3 (Ом).
^wch
Учитывая, что ua
40 кВ, iav = uJR,
-wch
Рис. 10. Типичная осциллограмма импульса напряжения на рабочей камере с обрабатываемой водой
Три пика (максимума), как указывалось выше, на осциллограмме соответствуют процессам разряда трех емкостей (С1, С2, С3) на нагрузку - рабочую камеру, в данном случае заполненную водой (см. рис. 1). Первый (наибольший) пик после фронта импульса - максимум напряжения на РК вследствие поступления энергии в камеру от наиболее низкоиндуктивного разрядного контура с емкостным накопителем С3. Второй пик соответствует процессу подключения и разряда на РК емкости С2. Третий пик соответствует процессу подключения к разряду на РК емкости С1, более удаленной от РК и имеющей наибольшую индуктивность.
Энергию, которая выделяется в РК за время обработки, можно оценить по формуле
Е = пТ 1 ШЛ = пПтиа^:, (1)
где i - ток как функция времени, и - напряжение как функция времени, iav - средний ток, иа№ - среднее напряжение, / - длительность одного импульса по полувысоте - отрезок времени, в течение которого энергия импульса выделяется в РК, п - частота следования импульсов, Т - время обработки.
Считаем, что вода в РК является чисто резистив-ной нагрузкой. Длительность импульсов определяется из осциллограмм.
По осциллограмме напряжения можно найти активное сопротивление Rwch воды в камере, зная величину высоковольтной ёмкости Св которой предварительно накапливается энергия после трансформации в трансформаторе ИОМ 100/100 [7]
= 40000 В/54,3 Ом ~ 736,65 А. Отсюда вытекает, что при п = 400 имп/с, Т = 10 с, : = 3,8-10-7 с, энергия Е^, которая выделяется в камере, равна Е^пТ^с^ = 400 имп/с х 10 с х 736,65 А х40000 В х х3,8 х 10-7 с = 16 х 736,65 х 3,8 ~ 44,8 кДж.
При этом средняя мощность Р, потребленная в РК камере с водой, составляет приблизительно Р = Е^/Т = = 44,8 кДж/10 с ~ 4,5 кВт.
Энергию Е1С1, первично запасенную в высоковольтной разрядной цепи в конденсаторе С1 перед каждым разрядом, можно оценить по формуле Е1С1 = С1-иС12/2 ~ 10-8-(50-103)2/2 = 12,5 Дж.
Оценим суммарную энергию ЕС1, запасенную в С1 за время Т
ЕС1 = пТЕ1С1 = 400 имп/с х 10 с х 12,5 Дж = = 50000 Дж = 50 кДж.
Е/ЕС1 ~ 44,8/50 = 0,896.
Удельное сопротивление воды в РК можно оценить по формуле
р = RwcнхS/l, (3)
где £ - площадь поперечного сечения РК с обрабатываемой жидкостью относительно направления протекания тока, I - длина межэлектродного промежутка в РК камере, т.е. ее (рабочей камеры) высота.
При £ = 3,14-4,752-10-4 = 7,1-10-3 м2, I = 1,5-10-2 м: р = 54,3 Ом х 7,1 х 10-3 м2/1,5-10-2 м = 25,7 Ом-м.
Оценим нагрев Д/ воды в непроточной (стационарной) РК за Т = 10 с при выделенной в камере энергии Е ~ 44,8 кДж. Если считать, что половина этой энергии пошла на нагрев воды, а другая половина - на нагрев металлических электродов - крышек РК и ее изоляционного (фторопластового) корпуса, то
Е = 2-с-У-у-ДЛ, т.е. Д: = 0,5-Е/(с-У-у), (4) где с = 4200 Дж/(кг-град) - удельная теплоемкость воды, V - объем воды в РК, у = 103 кг/м3 - плотность воды.
V = 8-1 = 7,1 -10-3 м2-1,5-10-2 м ~ 10-4 м3.
Таким образом:
Д/ = 0,5-44,8-103Дж/(4200 Дж/(кг-град)х хЮ-4 м3-103 кг/м3) = 53,3 град.
Полученный расчетный результат хорошо совпадает с экспериментальным результатом по нагреву воды в данной РК при КВИВ-обработке. Измерения проводились тестером М890в при помощи термопары. Измеренный перепад температур от начальной (стартовой) до конечной :$па1 составил &ехр = //та! - /маП ~ ~ 74 - 20 = 54 град. Отсюда следует вывод о том, что практически вся электромагнитная энергия, дошедшая до РК, выделяется в ней в виде тепла. Это принципиально важно, поскольку как электромагнитные факторы (напряженность электрического и магнитного поля,
напряжение и ток в РК), так и тепловая энергия явля- рациональных режимах сохраняется на уровне, отвеются синергически направленными (однонаправлен- чающем требованиям нормативной документации, то ными) факторами. Такое однонаправленное воздейст- есть КВИВ обработка - мягкая обработка, сохраняю-вие приводит к увеличению степени инактивации мик- щая биологическую и пищевую ценность продуктов. роорганизмов в текучих пищевых продуктах, обраба- 4. Оценочная величина удельных энергозатрат тываемых в РК. При этом вся энергия, поступающая в в проточном режиме при КВИВ обработке продуктов РК используется по назначению - на микр°биол°ги- составляет Ер ~ 6 кВт-ч/м3, что примерно в 4 раза ческое обеззараживание обрабатываемого в камере меньше, чем при традиционной тепловой обработке. продукта. Если теперь предположить, что все выде- При этом энергоэффективность предлагаемого ком-
лившееся в камере тепло при помощи теплообменника плекса высоковольтных импульсных воздействий передается в необработанный продукт, не прошедший .
^ птг л.л. ~ в 4 раза выше по сравнению с пастеризацией.
еще через РК, то коэффициент полезного действия по
5. Результаты выполненных исследований откры-энергии пе для данного технологического процесса ^
~ 85 99 5 % вают перспективу промышленного применения ком-
П ~ Важным/показателем являются также удельные плекса высоковольтных импульсных воздействий для
энергозатраты Е^, то есть количество затраченной ^згаршкивающ^ обработки водосодержащих пище-
энергии на обработку единицы (например, единицы вых продуктов.
объема или массы) продукта. При КВИВ-обработке в СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
промышленном проточном шртсште, когда задейсвв0- 1 Минухин Л.А., Гаффнер В.В., Меньшенин Г.А. Анализ
ван рациональн^1й теплообмен, это количество вве- путей снижения энергозатрат при пастеризации на малых
денной в РК электромагнитной энергии EfloW, которая в молочных предприятиях // Аграрное образование и наука. -
камере переходит в тепловую энергию. При этом 2016. - №3.
обеспечивается нагрев продукта в проточном 2. Соловьёв С.В. Повышение эффективности процесса
режиме, пока он протекает через РК, на несколько гра- тепловой обработки молока путем обоснования конст-
дусов Цельсия (например, на 5 °С) и переход от докри- руктивных и технологических параметров нагревателя: тической температуры до сверхкритической температуры продукта, которая гарантирует при действии сильного внешнего импульсного электрического поля необратимую инактивацию микроорганизмов.
дисс. ... канд. техн. наук (05.20.01). - Великие Луки, 2016. - 155 с.
3. Бойко Н.И., Тур А.Н., Евдошенко Л.С., Зароченцев А.И., Иванов В.М. Высоковольтный генератор импульсов со средней мощностью до 50 кВт для обработки пищевых 'Ати и Еэр продуктов // Приборы и техника эксперимента. - 1998. -
Еао», ~ с-У-у-^Аош = 4200 Дж/(кг-град)х10-4 м3х103кг/м3х №2. - С. 120-126.
Оценим Eflow и Esp
X
х5 град = 2100 Дж; 4. Кучинский Г. С. Высоковольтные импульсные конденса-
Ер = Е^/У = с-у&ц™ = 2100 Дж/10-4 м3 = 2,1-107 Дж/м3 = торы. - Ленинград: Энергии 1973 - 176 с.
= 2,1-104 кДж/м3 = (21000/3600) кВт-ч/м3 = * Потери и КПД в трансформаторах. Режим доступа:
' ^ = 5 83 кВ ч/ з www.ets.ifmo.ru/usolzev/SБITБN/u2/tr/1_9.htm.
, ' . 6. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. - М.:
Таким образом, оценочная величина удельных Наука, 2004. - 704 с.
энергозатрат в проточном режиме при КВИВ обработ- 7. Богатенков И.М., Иманов Г.М., Кизеветтер В.Е. и др. Тех-
ке продуктов составляет Ер = 5,83 кВт -ч/м3. При тра- ника высоких напряжений: Учебное пособие для вузов. Под
диционной схеме микробиологического обеззаражива- ред. Г.С. Кучинского. - СПб: Изд. ПЭИПК, 1998. - 700 с.
ния молока (при помощи тепловой обработки - пастеризации) удельные энергозатраты больше, по меньшей мере, в 4 раза [1, 2]. Выводы.
1. Рациональные режимы работы КВИВ установки
REFERENCES
1. Minuhin L.A., Gaffner V.V., Menshenin G.A. Study the possibility of reducing energy consumption during the pasteurization of milk on small enterprises. Agrarnoe obrazovanie i nauka, 2016, no.3. (Rus).
для °пробованных рабочих камер имеют место при 2. Solovyov S.V. Povyshenie effektivnosti protsessa teplovoy амплитудах напряженностей импульсного электриче- obrabotki moloka putem obosnovaniya konstruktivnykh i
ского поля Е ~ 30 кВ/см в жидкости в рабочей камере tekhnologicheskikh parametrov nagrevatelya. Diss. cand. и при времени обработки в течение 20 с высоковольт- techn. nauk [Improving the efficiency of the process of milk ными импульсами длительностью 300-1200 нс при thermal processing by justifying the design and technological
частоте следования импульсов n ~ 400 имп/с. parameters °f the heater. Crni tech. sd. diss.]. Velikie Luki,
2. При рациональных режимах в обработанной воде, Russia, 2016. 155 p. (Rus)
молочной сыворотке и молоке полностью и необрати-
3. Boyko N.I., Tur A.N., Evdoshenko L.S., Zarochentsev A.I.
^ ,. High-voltage pulse generator with an average power of up to 50 мо инактивируются показательные бактерии E.coli.
_ , kW tor treatment ot food products. instruments and experimental
При этом фермент пероксидаза в молоке сохраняется. technique, 1998, no.2, pp. 120-126. (Rus).
Следовательно, опробованный рациональный режим 4. Kuchmskiy G.S. Vysokovoltnye impulsnye kondensatory.
обеззараживающей обработки молока ^гч^ чем ре- [High-voltage pulse capacitors]. Leningrad, Energiya Publ.,
жим тепловой стерилизации, и примерно соответству- 1973. 176 p. (Rus).
ет пастеризации. 5. Losses and efficiency in transformers. Available at:
3. Количество витамина С, весьма чувствительного www. ets. ifmo.ru/usolzev/SEITEN/u2/tr/1 9.htm (accessed 15
к различным обработкам, после обработки молока в May 2017). (Rus).
6. Mesiats G.A. Impul'snaia energetika i elektronika [Pulsed power and electronics]. Moscow, Nauka Publ., 2004. 704 p. (Rus).
7. Bogatenkov I.M., Imanov G.M., Kizevetter V.E. Tekhnika vysokikh napriazhenii: Uchebnoe posobie dlya vuzov [High voltage techniques]. Saint Petersburg, PEIPK Publ., 1998. 700 p. (Rus).
Поступила (received) 13.03.2018
Бойко Николай Иванович1, д.т.н., проф., Макогон Артём Витальевич1, Маринин Андрей Иванович2, к.т.н., доц.,
1 Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61002, Харьков, ул. Кирпичева, 2,
тел/phone +380 57 7076245, e-mail: [email protected]
2 Национальный университет пищевых технологий, 01601, Киев, ул. Владимирская, 68,
e-mail: [email protected]
M.I. Boyko1, A.V. Makogon1, A.I. Marynin2
1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
2 National University of Food Technologies, 68, Volodymyrska Str., Kyiv, 01601, Ukraine.
Energy efficiency of the disinfection treatment of liquid foodstuffs by high-voltage pulse effects.
Purpose. Experimentally determine the rational modes and energy efficiency of decontamination treatment of flowing food products using high-voltage impulse actions in comparison with traditional pasteurization. Methodology. We used pulse generation method with the help of a step-up transformer, high-
voltage pulse capacitors and spark gaps with a system of peaking of pulse front to obtain high-voltage pulses in working chambers - the generator load. The pulses on the load were measured by a low-resistance resistive voltage divider, were transmitted over a broadband coaxial cable and recorded using an analog C8-12 oscilloscope or a Rigol DS1102E digital oscilloscope with a bandwidth of 100 MHz for each. The working chambers were filled with water, milk or milk whey and consisted of an annular hull made of PTFE and metal electrodes forming the bottom and the chamber cover having flat linings of food grade stainless steel for contact with the food product inside the chamber. Results. We obtained high-voltage pulses on the generator load with a base duration of300 to 1200 ns at pulse repetition rates up to 500 pulses per second. We obtained experimentally the amplitude of the voltage pulses on the generator load up to 75 kV, and the electric field strength up to 35 kV/cm in working chambers with a gap of 22 mm and up to 50 kV/cm in working chambers with a gap of 15 mm. These characteristics of the pulses allowed complete and irreversible inac-tivation of microorganisms in food liquids in working chambers. Originality. We showed that there are modes of treatment food products with the help of high-voltage pulse actions, which allow better to preserve the biological and nutritional value of the products in comparison with heat treatment with their complete disinfection and at a significantly lower specific energy consumption. Practical value. The experimental regimes for treating milk, whey and water with reduced specific energy consumption open the prospect of industrial application of a complex of high-voltage pulse actions for the disinfecting treatment of water-containing food products. References 7, tables 3, figures 10.
Key words: generator of high-voltage pulses, transformer, capacitor, multi-gap discharger, multichannel switch, working chamber, disinfecting food treatment.
