Аппараты для стерилизации инфракрасными лучами

      Инфракрасные лучи начинаются непосредственно за границей видимых лучей в спектре электромагнитных колебаний с волн длиной примерно 7600 А. В пищевой промышленности, и в частности для стерилизации жидкостей, используются волны длиной 10 000-30 000 A.

      При помощи инфракрасных лучей в настоящее время стерилизуют молоко, вина, соки. Инфракрасные стерилизаторы особенно широко распространены во Франции. В 1948 г. Кастэном был разработан аппарат “Инфра-вино” для старения вин и ликеров [11]. Оказалось, что, наряду с быстрым старением, вина, обработанные в этом аппарате, становились стерильными, а в некоторых случаях улучшались и их вкусовые качества. Ниже (рис. 22) представлена схема аппарата Кастэна.

Аппараты для стерилизации инфракрасными лучами - №1 - открытая онлайн библиотека

Рис. 22. Аппарат Кастэна

      Итак, с помощью насоса 5 вино прокачивается через трубки из стекла “Пи-рекс” 6 и облучается инфракрасными лампами 4. Облучение длится 2-4 мин. За это время вино нагревается до 50-60°С, но допустим нагрев и до 80°С. Даже в этом случае вино не приобретает привкуса варки, т. е. не становится похожим на пастеризованное вино. Установка производительностью 5 Гл вина в час расходует 12,5 кВт. После облучения вино проходит в змеевик-теплообмен- ник 3, где частично охлаждается, и направляется в батарею электрофореза 2 с электродами, изготовленными из чистого алюминия или из сплава алюминия и серебра. Затем вино поступает во второй змеевик 1, в котором оно охлаждается либо просто потоком холодной воды, либо с помощью холодильной машины. Обработка заканчивается осветлением и фильтрацией вина.

      Создатель инфракрасного пастеризатора для молока - Серен. В этом аппарате применены специальные цилиндрические лампы мощностью 750 Вт. Схема аппарата представлена на рис. 23. Молоко стекает по внутренней поверхности цилиндрического аппарата тонкой пленкой и нагревается за время падения до 75-85°С инфракрасными лучами, помещенными внутри цилиндра. Цилиндр снабжен откидными крышкой и дном. Дно имеет воронку с поплавковым регулятором уровня молока. Нагрев молока осуществляется за 4-5 с. Средний расход энергии 1 кВт×ч на 25-30 л пастеризованного молока .

      Испытания этого аппарата дали очень убедительные результаты: обработанное в нем молоко изменяется меньше, чем при обычной тепловой пастеризации; накопление сливок происходит еще в бутылках; эксплуатация установки очень проста. Основным недостатком рассмотренных пастеризаторов является отсутствие в них регенерации тепла, что приводит к излишнему расходу энергии.

      Фирма “Стойц-Актинатор” предложила конструкции комбинированных пастеризаторов с регенерацией тепла. Пастеризаторы марки IR-UV этой фирмы за последнее время получили большое распространение на молочных заводах Франции. В этих установках пастеризация молока осуществляется инфракрасными лучами, образующимися при разогреве электрической спирали, навитой на трубы из кварцевого стекла, по которым движется молоко.

Аппараты для стерилизации инфракрасными лучами - №2 - открытая онлайн библиотека

Рис. 23. Пленочный инфракрасный пастеризатор
с закрытой (а) и открытой (б) крышкой

      Процесс пастеризации на установках IR-UV осуществляется следующим путем. Молоко из уравнительного бака подается с помощью насоса в трубы из увиолевого стекла, где облучается ультрафиолетовыми лучами для обогащения витаминами D. Ультрафиолетовые лампы расположены между трубами и молоком. Облученное молоко направляется в регенератор тепла, выполненный из нержавеющих стальных труб двух различных диаметров. Частично подогретое в регенераторе молоко направляется в инфракрасный пастеризатор, выполненный из кварцевых труб, на которые навиты электрические спирали, являющиеся источниками инфракрасного облучения. Облученное инфракрасными лучами горячее молоко направляется обратно в регенератор, где отдает часть своего тепла нагретому молоку, и затем поступает для окончательного охлаждения в трубчатый охладитель. Необходимая температура пастеризации поддерживается достаточно точно благодаря тому, что нагревательная спираль разделена на несколько участков сопротивлений. В зависимости от температуры молока на выходе из пастеризационной секции могут быть включены в работу все участки или часть из них.

      Установка производительностью 5 м3/ч имеет следующие данные. Секция ультрафиолетового облучения состоит из 40 трубок с внутренним диаметром 8 мм и толщиной стенок 2 мм. Трубки скомпонованы в 10 секций по 4 штуки в каждой. Секции соединены параллельно, а трубки в каждой секции – последовательно. Длина каждой из трубок 1500 мм. В секции установлено 10 ультрафиолетовых ламп общей мощностью 2 кВт. Секция инфракрасного облучения состоит из 30 трубок длиной и диаметром 13 мм. Они скомпонованы в 5 секций по 6 штук в каждой. Спираль, навитая на трубки, разделена на 4 участка со- противлений. На первом участке 15 витков, на остальных - по 5. Витки равномерно распределены по всей поверхности пастеризационной секции. Мощность секции 90 кВт. Секции регенерации и охлаждения выполнены из нержавеющих стальных труб диаметром 30,6 ´ 0,8 мм и 49,2 ´ 1,6 мм. Длина труб 2050 мм. Секция регенерации имеет 48 внутренних и наружных труб, а секция охлаждения – 16, из которых        6 охлаждаются водой, а 10 рассолом.

      Установка работает от сети напряжением 220/380 В. Молоко пастеризуется при 85°С. Коэффициент регенерации тепла составляет 80%. Для продавливания молока через аппарат требуется давление 3 бар. Потребляемая установкой мощность, включая насосы, 96 кВт. Фирма выпускает аналогичные установки различной производительности – от 0,2 до 5 м3/ч.

      Рассмотренный способ пастеризации молока с помощью инфракрасных лучей имеет неоспоримые преимущества перед традиционным тепловым способом пастеризации.

      Во-первых, облучение молока ультрафиолетовыми лучами в закрытой системе стеклянных труб обогащает его витаминами D, не ухудшая качества молока. При этом под действием ультрафиолетовых лучей погибает часть микроорганизмов, чем облегчается окончательный этап пастеризации. Во-вторых, эффект, производимый инфракрасными лучами, основан на их проникновении в толщу продукта и на поглощении их продуктом, вследствие чего инфракрасные лучи играют в основном тепловую роль.

      Применение кварцевых трубок, хорошо пропускающих инфра- красные лучи, предотвращает местный перегрев продукта, наблюдаемый в непосредственной близости у металлической стенки при обычном тепловом способе пастеризации. Отсутствие местного перегрева в значительной степени уменьшает интенсивность образования отложений на стенках и увеличивает продолжительность периода работы установки между чистками, а также способствует тому, что органолептические и питательные свойства молока при таком способе пастеризации ближе к свойствам натурального молока по сравнению с молоком, пастеризованным в тепловом пастеризаторе. Из сказанного видно, что способ пастеризации и стерилизации с помощью инфракрасных лучей в кварцевых камерах заслуживает более серьезного внимания, чем ему уделяется в настоящее время. Применяемые здесь аппараты необходимо создавать в первую очередь для пастеризации и стерилизации вязких жидкостей с большим содержанием сухих веществ.

      Для расчета инфракрасных облучательных установок можно использовать метод Н. Н. Ермоленко [11]. Этот метод исходит из основного соотношения, справедливого для любого момента облучения;

                                    aFdt = cg dt + Wкdt + Wнdt,                         (29)

где F - поток излучения, упавший на изделие; aF - поток излучения, поглощенный изделием;  с - удельная теплоемкость изделия; g - вес изделия; dt - приращение температуры за время dt; Wк – тепловые потери с поверхности изделия путем конвекции, отнесенные к единице времени; Wн – тепловые потери на лучеиспускание, отнесенные к единице времени.

      Преобразования, предложенные Н. Н. Ермоленко, приводят к выражению

                                   aЕ = Ск (tT - tв ) + Сn (q Аппараты для стерилизации инфракрасными лучами - №3 - открытая онлайн библиотека q Аппараты для стерилизации инфракрасными лучами - №4 - открытая онлайн библиотека ) ,                 (30)

где Е – энергетическая освещенность изделия; Ск – коэффициент конвективной теплоотдачи с поверхности изделия; Сn  - коэффициент лучистого теплообмена между изделием и окружающей поверхностью; tТ - температура изделия при установившемся тепловом режиме, °С; tв - температура воздуха, окружающего изделие, °С; qТ - температура изделия при установившемся тепловом режиме, К; q - температура поверхности, окружающей изделие, К.

      Это выражение устанавливает связь между энергетической освещенностью верхней и нижней поверхности изделия. При облучении с одной стороны члены уравнения в правой части удваиваются.

Аппараты для пастеризации и стерилизации
 ультрафиолетовыми лучами

      Использование ультрафиолетовых лучей для облучения пищевых жидкостей с целью их стерилизации было известно давно. Так, еще в 1912 г. А. Каравья сообщал об опытах по облучению молока с целью его стерилизации [11].

      Более поздними опытами было установлено, что волны длиной примерно 2600А (2,6× Аппараты для стерилизации инфракрасными лучами - №5 - открытая онлайн библиотека  м) обладают максимальной бактерицидной силой. Взаимосвязь между бактерицидным действием R ультрафиолетовых лучей и длиной их волн представлена на графике (рис. 24).

      Если интенсивность лучей, получаемых от источника, постоянная, то уничтожение бактерий идет пропорционально времени облучения. Количество же уничтоженных бактерий зависит от количества израсходованной энергии, т. е. от произведения интенсивности лучей на время облучения.

      На рис. 25 представлен график зависимости отмирания микроорганизмов в 1 мл молока (ось ординат) от количества израсходованной энергии (ось абсцисс), полученный Н. А. Головкиным и Б. И. Черняком [11]. В их опытах облучаемое молоко стекало по внутренней поверхности цилиндра в виде пленки толщиной 0,3-0,4 мм.

При конструировании оборудования важно иметь в виду, что ультрафиолетовые лучи проникают в пищевые оптические плотные жидкости на небольшую глубину (меньше 1 мм). Это обстоятельство необходимо учитывать, так как стерилизация будет успешной лишь в том случае, если все до единой частицы стерилизуемой жидкости подвергнутся облучению.

     
Аппараты для стерилизации инфракрасными лучами - №6 - открытая онлайн библиотека   Аппараты для стерилизации инфракрасными лучами - №7 - открытая онлайн библиотека

Рис. 24. График зависимости
 бактерицидного действия ультра-
 фиолетовых лучей от длины волны

  Рис. 25. Зависимость отмирания микроорганизмов от количества  израсходованной энергии

      Данные, приведенные ниже, иллюстрируют эффективную глубину проникновения в молоко волн в зависимости от их длины.

Длина волны, Аппараты для стерилизации инфракрасными лучами - №8 - открытая онлайн библиотека  . . . . . . 2500 2750 3000 4000 5000 6000 7000
Эффективная глубина проникновения, мм. . . .   0,036   0,038   0,041   0,050   0,058   0,065   0,073

      Очевидно, что обладающие бактерицидным свойством ультрафиолетовые лучи проникают в молоко на глубину менее 1/20 мм. Это обусловливает конструктивное решение аппаратов. Они должны быть обязательно тонкослойными. Поток жидкости в аппаратах организован так, чтобы все ее частицы были облучены.

      Наиболее простым конструктивным решением ультрафиолетового стерилизатора является пропуск жидкости в виде тонкой пленки, доступной для проникновения лучей необходимой длины. Примером такого решения может служить аппарат, схема которого представлена на рис. 26.

      Стерилизуемый продукт, проходя через распределительное уст-ройство I, растекается по изогнутому листу II и в виде тонкой пленки стекает вниз. Облучение продукта производится ультрафиолетовой лампой III, расположенной параллельно листу II. Подача продукта осуществляется через канал 1 в камеру 2 распределительного устройства, образованную крышкой 3, прижатой при помощи пружины 4 к листу II. Из камеры 2 продукт вытекает на лист II через тонкую щель 5, имеющуюся между крышкой 3 и листом II, и растекается по листу в виде тонкой пленки.

Аппараты для стерилизации инфракрасными лучами - №9 - открытая онлайн библиотека

Рис. 26. Элементарный ультрафиолетовый пастеризатор

      Другой способ распределения стерилизуемого продукта в виде равномерной тонкой пленки представлен на рис. 27.

  Аппараты для стерилизации инфракрасными лучами - №10 - открытая онлайн библиотека

Рис. 27. Вращающийся стерилизатор

      Стерилизационный аппарат состоит из вращающейся камеры 6; ультрафиолетовых ламп 7, закрепленных на неподвижной трубе 4; подводного и отводного трубопроводов 3 и 9 для продукта. Вращение камеры 6 осуществляется на подшипниках 5 при помощи электродвигателя 1 и зубчатой передачи 2.

Стерилизуемый продукт по трубе 3 поступает в камеру 6 и распределяется под действием центробежной силы равномерной тонкой пленкой по ее внутренней поверхности 9. Так как кроме инерционных сил продукт подвержен действию силы тяжести, то пленка кроме вращательного движения совершает еще и поступательное по направлению к трубе 8, через которую и отводится из аппарата. Продукт, продвигаясь по поверхности 9, облучается с помощью ультрафиолетовых ламп.

      Поставленная задача – облучить все частицы стерилизуемого продукта – может быть решена и другими способами. Например, путем облучения продукта, стекающего в виде тонкой пленки по внутренней стенке вертикального цилиндра, или путем достижения максимального перемешивания облучаемых частиц. Последнее может быть осуществлено при движении продукта между волнистыми прозрачными пластинами или по кварцевым трубам при числах Рейнольдса более 10 000.

      При ультрафиолетовой стерилизации необходимо иметь в виду, что ультрафиолетовые лучи с длиной волн менее 2000 A из кислорода воздуха образуют озон, активно взаимодействующий с составными частями облучаемого продукта, что нередко приводит к ухудшению его вкусовых качеств. Во избежание возможности приобретения облучаемым продуктом вкусовых пороков лучше всего для облучения ультрафиолетовыми лучами использовать закрытые аппараты, а стерилизуемый продукт подвергать предварительной деаэрации в специальных вакуумных камерах.

      При ультрафиолетовой стерилизации питательная ценность таких малостойких продуктов, как молоко, почти не изменяется. Витамины А1, В и В2 и каротин сохраняются полностью. Происходит некоторая потеря витамина С1, но содержание витамина D значительно возрастает. Образование витамина D осуществляется из эргостеарина и дегидрохолестерина при длине волн от 2700 до 2900 A.

      Испытания оборудования для ультрафиолетовой стерилизации молока показали, что такие стерилизаторы весьма эффективны. Этот метод позволяет уничтожать более 99% микроорганизмов различных видов.

      Несколько хуже дело обстоит со стерилизацией ультрафиолетовыми лучами фруктовых и ягодных соков. Неоднократные попытки получить стерильный сок не увенчались успехом. Одной из причин неполной стерилизации, вероятно, является плохая проницаемость ультрафиолетовых лучей внутрь облучаемого продукта, толщина которого в опытах была не менее 0,2–0,3 мм. Однако комбинация ультрафиолетового облучения с последующим воздействием на соки сорбиновой кислоты дает хорошие результаты. Так, белорусские исследователи С. Н. Бичевая, И. Я. Овруцкая, В. С. Скрипниченко и М. С. Горбачевская изучали действие комбинированного способа на черничный, голубичный, брусничный и яблочный соки [11]. Для достижения стерильности они рекомендуют облучать соки ультрафиолетовыми лучами в течение 6–15 с, после чего воздействовать на них сорбиновой кислотой. Это обеспечивает стерильность сока при незначительном изменении его химического состава и органолептических свойств.