Гидростатические стерилизаторы

      В настоящее время для стерилизации молока и молочных продуктов, особенно на молочно-консервных комбинатах, получили распространение так называемые гидростатические стерилизаторы. Они используются обычно в тех случаях, когда ассортимент стерилизуемых продуктов мало изменяется, а производительность оборудования достаточно велика.

  Гидростатические стерилизаторы - №1 - открытая онлайн библиотека

Рис. 19. Схема гидростатического
стерилизатора

      Принцип действия простейшего гидростатического стерилизатора пред-ставлен на рис. 19. В кассеты-носители, подобные тем, что мы встречаем у бутыломоечных машин, загружаются бутылки или банки с молочными продуктами, которые перемещаются вверх по первой шахте (поток 1). Второй ход – вниз – они совершают сквозь столб воды, который выполняет функцию гидравлического затвора, и попадают в зону стерилизации 3. Проходя столб воды в зоне 2, продукт нагревается до температуры, близкой к температуре стерилизации. В зоне 3 он выдерживается при ней заданное время, при этом бутылки или банки совершают четыре хода вверх и вниз. Охлаждение продукта осуществляется в шахте 4, которая заполнена холодной водой. Столб воды в шахтах 2, 4 оказывает противодавление пару, который поступает в шахту 3.

      Температура стерилизации регулируется путем изменения высоты столба воды в шахтах. Высота столба воды в таких стерилизаторах не превышает 12 м. Следовательно, температура стерилизации в зоне 3 не может быть выше 120°С. Стремление изменять температуру стерилизации в более широких интервалах привело к созданию многошахтовых стерилизаторов, в которых в левой и в правой части имеется не по одному, а по два и даже по три столба воды.

      Преимущество гидростатических стерилизаторов - работа в непрерывном режиме. Однако их недостатком является ограниченная возможность в обеспечении противодавления давлению, возникающему в банках при нагревании. Кроме того, гидростатические стерилизаторы достаточно металлоемки. Их масса достигает 50-70 т.

      Под действием повышающегося внутреннего давления в банках, которому не может в полной мере противостоять внешнее давление, банки могут временно терять герметичность в месте шва, что не гарантирует в полной мере ожидаемого эффекта стерилизации во всех банках. Следовательно, повторное использование воды из последней шахты сомнительно, так как она может быть обсеменена микроорганизмами.

АППАРАТЫ И УСТАНОВКИ ДЛЯ НОВЫХ СПОСОБОВ
 ПАСТЕРИЗАЦИИ И СТЕРИЛИЗАЦИИ ПИЩЕВЫХ
ЖИДКОСТЕЙ

Электропастеризаторы

      Пастеризацию основных жидкостей можно осуществлять при помощи электричества. В настоящее время в промышленности многих стран, особенно во Франции и в РФ, успешно используются электропастеризаторы для соков, вин, молока и уксуса.

      Существуют электропастеризаторы косвенного и прямого действия. Электропастеризаторы косвенного действия отличаются от обычных тепловых пастеризаторов только тем, что вместо водяного или парового обогрева труб или пластин в них применен электрообогрев.

      В отличие от электропастеризаторов косвенного действия электропастеризаторы прямого действия обеспечивают пастеризацию током, направляемым непосредственно через толщу продукта. Эти электропастеризаторы можно подразделить на аппараты низкой (от 18 до 500 Гц) и высокой (от 104 до 109 Гц) частоты.

      В настоящее время считается, что применение для пастеризации низкочастотных аппаратов приводит к гибели микроорганизмов от теплового воздействия. Тепло в обрабатываемом на таких аппаратах продукте возникает вследствие трансляторных колебаний ионов. Если обеспечить прохождение через пищевую жидкость электрического тока низкой частоты, то в ней образуется переменный электрический ток, обусловливаемый в основном трансляторным движением микроскопических носителей электрических зарядов – ионов солей, всегда имеющихся в пищевых жидкостях. Таким образом, основным физическим процессом, вследствие которого происходит поглощение энергии электромагнитных волн во время низкочастотной электропастеризации, может быть ионная проводимость жидкостей.

      В процессе воздействия ионов, совершающих трансляторное движение в молекулах растворителя происходит превращение механической энергии, затрачиваемой электрическим полем на транслятор-                                              ное движение ионов, в тепловую. Совершая трансляторные (возвратно-поступательные) колебания в жидкости, ион как бы расталкивает   молекулы растворителя, отдавая им избыток своей кинетической энергии, что усиливает их беспорядочное движение. Удельная мощность Ро (вт/см3), выделяющаяся при наличии трансляторных колебаний в виде тепла, равна

Ро = d Гидростатические стерилизаторы - №2 - открытая онлайн библиотека  x,

                                                          

где d - плотность электрического тока; x - среднее электросопротивление пастеризуемой жидкости.

      Е. П. Виноградов, исследовавший процессы электропастеризации молока и жидких молочных продуктов, считает, что электрический ток низкой частоты не оказывает никаких специфических воздействий на микроорганизмы, имеющиеся в пастеризуемой жидкости, значит, основным губительным для них фактором воздействия в данном случае является температурно-временной фактор, как и при других известных способах тепловой пастеризации. Следовательно, эффект электропастеризации будет достаточным, если критерий Пастера будет больше или равен единице.

      Таким образом, одним из основных вопросов, которые следует решать при конструировании низкочастотных электропастеризаторов прямого действия, является определение времени, необходимого для прохождения пастеризуемого продукта через аппарат. Е. Наний, исследовавший электропастеризатор прямого действия промышленной частоты, схематично представленный на рис. 20, нашел, что общее время пребывания молока в пастеризаторе может быть выражено формулой

                                    t0 = 0,7/ Гидростатические стерилизаторы - №3 - открытая онлайн библиотека  ln(20 + tп)/(20 + tн),                     (24)        

где tп - температура пастеризации; tн - начальная температура; d20 -      плотность тока при температуре 20°С.

  Гидростатические стерилизаторы - №4 - открытая онлайн библиотека

Рис. 20. Электропастеризатор прямого действия промышленной частоты:
1 – изоляционная рамка; 2 - графитовые электроды

       График, представленный на рис. 21, показывает, как изменяется температура молока в зависимости от времени пребывания его в электропастеризаторе. Опыты проведены при различных значениях плотности тока – от 0,1 до 0,3 А/см2. Скорость нагрева возрастает с ростом температуры. Это объясняется тем, что с ростом температуры увеличиваются электропроводность и плотность тока.

  Гидростатические стерилизаторы - №5 - открытая онлайн библиотека

Рис. 21. График зависимости температуры молока от времени
 его пребывания в электропастеризаторе

      При движении молока по такому плоскому каналу нельзя добиться одинакового времени воздействия на все его частицы, ибо в средней части канала они движутся значительно быстрее, чем у стенок. Слишком малая скорость движения молока у стенок приводит к образованию пригара на электродах.

      Для предотвращения пригара рекомендуется в электронную камеру помещать винт из электроизоляционного материала. Это мероприятие повышает скорость движения пастеризуемого продукта в непосредственной близости от стенок и тем самым значительно уменьшает отложения на электродах.

      Е. Наний, использовав теорию Г. А. Кука пастеризации молока в потоке, получил следующую формулу для нахождения времени, необходимого для завершения пастеризации непосредственно в самом пастеризаторе:

                      tпаст = ln (0,25 + 0,125tп) / Гидростатические стерилизаторы - №6 - открытая онлайн библиотека / (20 + t) ea-bt.              (26)

      Ниже приведены значения tпаст  для различных температур пастеризации tп, вычисленные по этой формуле:

tп, °С........... 68 70 72 74 76 78 80
tпаст, с......... 286,0 120,0 53,5 23,8 10,3 4,75 2,06

      Кроме низкочастотных электропастеризаторов прямого действия в промышленности применяются высокочастотные пастеризаторы. По мере повышения частоты тепловой эффект трансляторных колебаний ионов уменьшается, и начинает сильнее сказываться тепловой эффект, свойственный полярным жидкостям.

      Опытами Е. П. Виноградова и других исследователей установлено, что эффект высокочастотной электропастеризации таких жидкостей, как молоко, чисто тепловой. Никаких специфических изменений ток высокой частоты в процесс электропастеризации не вносит, что дает право считать механизмом пастеризующего действия температуру во времени. Удельная мощность Р0, (Вт/см3), выделяющаяся в виде тепла, равна

                                       Р0 = 0,555 e tg j f E2 × Гидростатические стерилизаторы - №7 - открытая онлайн библиотека ,                         (27)

где e - относительная диэлектрическая проницаемость жидкости; tg j - тангенс угла тепла;  f - частота электроколебаний; Е - напряженность поля в пищевой жидкости , вт/см.

      Установлено, что тепловая абсорбция и степень трансформации электроэнергии в тепловую различны для разных компонентов продуктов, т. е. одни компоненты нагреваются при таких частотах, при которых другие остаются холодными. 

      Бактерицидный эффект высокочастотного пастеризатора может быть достигнут, если электропастеризационная установка отвечает требованиям основного закона

tэп  = tп.п + tз + tи.н,

где tэп - температура инактивирования микроорганизмов, находящих-        ся в продукте; tп.п - температура продукта после электропастеризации;      tз - температура защитного действия; tи.н - температура избирательного нагрева.

      Из формулы для удельной тепловой мощности видно, что теплота увеличивается пропорционально диэлектрической постоянной продукта, частоте и квадрату напряженности электрического поля. Однако напряженность нельзя бесконечно увеличивать, так как может произойти разряд в поле конденсатора. Частоту также можно повышать до определенного предела, ибо, с одной стороны, с увеличением частоты ухудшается к.п.д. генератора и, с другой стороны, может появиться опасность неравномерного нагрева. Допустимо высокая с этой точки зрения частота может быть определена по формуле 

                                              f  = 18,7 (L/ Гидростатические стерилизаторы - №8 - открытая онлайн библиотека ),                                  (28)

где L - наибольшее удаление электродов от источника высокочастотной энергии.

      По международному соглашению для диэлектрического теплового поля конденсатора установлены следующие каналы: 13,56; 27,12 и 40,68 МГц.