6.2. Ультразвуковая стерилизация жидких сред

Обработанные ультразвуком растворы, эмульсии, суспензии и отвары в течение некоторого времени после обработки остаются стерильными.

Работами И.Е. Эльпинера и др. установлено, что при ультразвуковом воздействии повышается чувствительность микроорганизмов к дезинфицирующим веществам. Поэтому концентрации антисептиков и консервантов в сочетании с УЗ обработкой могут быть уменьшены в десятки и сотни раз.

Стерилизующее действие ультразвука проявляется на частотах 20 кГц и выше, при интенсивности более 0,5 Вт/см2. Механизм стерилизующего действия ультразвука весьма сложен и раскрыт не полностью. Доказано, что основным стерилизующим фактором является кавитация.

При стерилизации различных жидких сред ультразвуком необходимо учитывать следующее.

1. Бактерицидное действие ультразвука зависит от состояния среды и ее состава, а также от количества микроорганизмов. Так, в дистиллированной воде процесс стерилизации происходит быстрее, чем в растворах солей, белков, высокомолекулярных соединениях.

2. При ультразвуковой обработке в первую очередь погибают плесени, затем дрожжи, слизеобразующие и в последнюю очередь – спороносные бактерии.

3. Ультразвуком разрушаются кишечная, брюшнотифозная, дифтерийная, сенная палочки, бациллы дизентерии, столбняка, сальмонеллы, кокки, гонококки, трипаносомы, трихамонады, возбудитель паратифа, тифа и др.

4. При высоких интенсивностях ультразвука, т.е. в непосредственной близости от рабочего инструмента, разрушаются вирусы табачной мозаики, полиомиелита, энцифалита, сыпнотифозные, гриппа. Бактериофаги больших размеров также чувствительны к действию ультразвука.

5. Из патогенных микроорганизмов наибольшую устойчивость проявляют штаммы туберкулезных палочек.

6. В ряде случаев 100 % стерилизации добиться невозможно, т.к. для этого потребовалось бы бесконечно долгое время. Однако в течение 10–20 мин ультразвуковой обработки в фитомиксере количество микроорганизмов уменьшается до 1–10% от первоначального количества.

7. В сочетании с ультразвуком бактерицидными свойствами обладают бура, сульфит и бисульфит натрия и калия, соли фенилртути, мертиолит, кислоты, отдельные красители (генциановый, фиолетовый, фуксин, бриллиантовый зеленый), соли аммониевых соединений, окислители (хлор, йод, перекись водорода), газы (озон, углекислый, сероводород).

На основании изложенного можно считать, что с помощью УЗ или его сочетаний с антисептиками стерилизацию можно проводить значительно быстрее, чем обычными способами, с меньшими экономическими затратами, экономией антисептиков, сохраняя биологически активные вещества, ферменты и витамины.

6.3. Энергоэффективный способ обеззараживания жидкостей в сельскохозяйственном производстве

Способ обеззараживания разработан основателем научной школы профессором В.Н. Карповым и запатентован в 1997 году, как способ объемного электромагнитного облучения поглощающих сред. Его научно-практическая значимость доказана в работах . Способ реализован в технологических схемах обеззараживания технологических сред в гидропонных теплицах, инновационных технологиях сублимационной сушки с комбинированным энергоподводом и производства биогаза из отходов животноводческих ферм.

Практическое использование способа устраняет практически все недостатки предшествующих технологических схем и дает хороший экономический эффект от внедрения в сельскохозяйственные производства.

Рассмотрим пример обеззараживания воды ультрафиолетовым облучением. Ослабление УФ потока в воде подчинено закону Бугера:

, (6.27)

где Ф – поток, прошедший сквозь слой высоты h; Ф₀ – поток, падающий на облучаемую поверхность; а – показатель ослабления потока в воде (для воды из поверхностного источника а=0,2…0,3 1/см).

Гибель бактерий при УФ-облучении происходит в соответствии с закономерностью

, (6.28)

где Б – число бактерий, оставшихся в живых после облучения; Б_о – начальное количество бактерий; Е_б – бактерицидная облученность; Н_б – летальная доза облучения.

Для воды расчет ведется применительно к бактериям коли. Принимают Б₀=1000 бактерий на литр, Б=3 (Колииндекс), .

Определим высоту слоя h_i, для которой неравномерность облучения по высоте ; 0,8=е^-0,2h; h_i=1,1 см.

Общая глубина воды h, на которой УФ - поток действует обеззара-живающе, а сам поток ослабляется до 0,05 Ф₀

0,05 = e^0,2h; h=15 см.

Определяем число слоев на полной глубине n=h/h_i=13, высота каждого 1,1 см, причем i=1 для верхнего слоя. Приведем для сравнения расчет обеззараживания традиционным и предлагаемым способами.

Традиционный способ, при котором направления потоков воды и энергии взаимоперпендикулярны. Определим доли пропущенного и поглощенного каждым слоем потока по формуле:

(6.29)

= 0,8;	= 0,2;
= 0,64;	= 0,16;
= 0,51;	= 0,13;
= 0,4;	= 0,11;
= 0,33;	= 0,07;
= 0,27;	= 0,06;
= 0,21;	= 0,06;
= 0,17;	= 0,04;
= 0,14;	= 0,03;
= 0,11;	= 0,03;
= 0,09;	= 0,02;
= 0,07;	= 0,02;
= 0,06.	= 0,01.

Определим частоту удаления верхнего слоя для предлагаемого способа с тем, чтобы рассчитать время облучения для традиционного способа. Примем, что направленный поток облучения создает на поверхности облученность: .

Для заданной степени обеззараживания воды (Б/Б₀=0,003) запишем

В этом выражении E_t представляет собой дозу облучения, которая обеспечивает требуемую степень обеззараживания, т.е. это произведение и является нормируемой дозой Q_н.

Для принятого значения получаем время облучения:

Определяем число оставшихся в живых бактерий в намеченных слоях (снизу вверх) после облучения в течение 3,5 с традиционным способом (т.е. слои неподвижны), считая, что поверхность облучения равна 1 см² (это позволяет считать Е=Ф₀ на поверхности, а в толщине каждого слоя считать число оставшихся в живых бактерий зависящим от поглощенного потока ∆Ф, а не от облученности). То есть

Учитывая, что ∆Ф_i=∆Ф_i*^.4; t=3,5 с. Н_б=2,4 , запишем:

(сомножитель 5,81 в показателе степени был ранее точно определен через ℓn 0,003).

= е^-0,015,81 = 0,94. = е^-0,025,81 = 0,88. = е^-0,015,81 = 0,88. = е^-0,035,81 = 0,84.

= е^-0,015,81 = 0,84. = е^-0,045,81 = 0,79. = е^-0,065,81 = 0,70. = е^-0,065,81 = 0,70.

= е^-0,115,81 = 0,53. = е^-0,115,81 = 0,53. = е^-0,135,81 = 0,47. = е^-0,165,81 = 0,39.

= е^-0,025,81 = 0,31.

В верхнем слое традиционный способ не обеспечивает за 3,5 с нужный эффект обеззараживания (0,31>>0,003). То есть, если бы поток воды толщиной в один слой перемещался горизонтально, то условная смена слоя должна была бы происходить реже, чем через 3,5 с из-за потерь излучения.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

При перемещении слоя снизу вверх в облучаемом объеме в каждой позиции i им поглощается определенный поток ∆Ф_i. Для трех смежных слоев можно записать ∆Ф как разницу между падающим и прошедшим сквозь слой потока-ми:

∆Ф_(i-1) = Ф_{(i-1) пад} -Ф_{(i-1) прош.}

∆Ф_(i) = Ф_{(i) пад} -Ф_{(i-1) прош.}

∆Ф_(i+1) = Ф_{(i+1) пад} -Ф_{(i+1) прош.}

Необходимо учесть, что Ф_{(i-1) прош.}= Ф_{(i) пад}, Ф_{(i) прош.}= Ф_{(i+1) пад}. Поэтому при сложении ∆Ф в правой части остается только сумма двух крайних слагаемых, т.е. ∆Ф=Ф_(i-1)пад - Ф_{(i+1) прош.}. Для слоя, прошедшего все позиции от нижней до верхней å∆Ф=Ф₀-0=Ф₀ (где Ф_о – поток, падающий на поверхность облучаемого объема). В каждой позиции за время t_c слой поглотит энергию t_c∆Ф. За полный цикл перемещения энергия будет равна: . При правильной организации процесса облучения эта энергия должна иметь то значение, которое обеспечивает ожидаемый эффект облучения и которое должно быть равно нормируемому параметру Q_н. Таким образом, должно соблюдаться условие Q_н = t_сФ₀. Отсюда частота снятия слоев .

Для принятых в примере параметров и для условия единичной поверх-ности определим частоту удаления верхнего слоя:

Соответственно время облучения этого слоя в верхней позиции t_c=1/f=3,45 c (в примере при прямом расчете t_c=3,5 с). Эффект обеззараживания с учетом перемещения слоя вверх определяем в соответствии с выражением:

Значение показывает относительное количество оставшихся в живых бактерий в позиции i+1 за время пребывания в ней слоя в течение 3,5 с (значения заимствуются из предыдущего расчета, а ₊₁ определяется в рассматриваемом примере).

 = 0,94. ­ = 0,94  0,88 = 0,83. ­ = 0,83 × 0,88 = 0,73. ­ = 0,73 ×0,84 = 0,61. ­ = 0,61 × 0,84 = 0,51. ­ = 0,51 × 0,79 = 0,40. ­ = 0,4 × 0,7 = 0,28.

­ = 0,28 × 0,7 = 0,19. ­ = 0,19 × 0,53 = 0,10. ­ = 0,1 × 0,53 = 0,053.

­ = 0,053 × 0,47 = 0,025. ­ = 0,025 × 0,39 = 0,010. ­ = 0,01 × 0,31 = 0,0031.

Требуемый результат обеззараживания в удаляемом слое достигнут (т.к. 0,0031  0,003) при рассчитанной частоте удаления слоев f=0,29 1/с.

При перемещении слоев сверху вниз, т.е. при удалении слоев в нижней части облучаемого объема, расчет выполняется аналогично.

 = 0,31. ¯ = 0,31 × 0,39 = 0,12. ¯ = 0,12 × 0,47 = 0,056. ¯ = 0,056 ^. 0,53 = 0,03. ¯ = 0,056 ×0,53 = 0,016. ¯ = 0,016 × 0,7 = 0,011. ¯ = 0,011 × 0,7 = 0,008.

¯ = 0,008 × 0,79 = 0,0063. ¯ = 0,0063 × 0,84 = 0,0053. ¯ = 0,0053 × 0,84 = 0,0044. ¯ = 0,0044 × 0,88 = 0,004. ¯ = 0,004 × 0,88 = 0,0035. ¯ = 0,0035 × 0,94 = 0,0033.

Требуемый уровень обеззараживания также достигнут (0,0033  0,003).

Результаты обеззараживания воды представлены на рис. 6.6. Кривые показывают преимущество предлагаемого способа, т.к. требуемый результат традиционным способом не достигнут (за то же время и при больших затратах энергии).

. На самом деле в ЭТП происходят одновременно два процесса, контролируемых законами сохранения – для технологической среды и для подводимой энергии. При этом параметры движения среды считаем заданными, т.к. целью ЭТП является обеспечение заданного значения производительности результата, следовательно, производительности по массе среды. Условно разделим движение среды на два участка – вертикальный со скоростью v_в и горизонтальной со скоростью v_г. Если задана массовая производительность при известном сечении выхода А_г, то это означает, что задана выходная (горизонтальная) скорость. При известной площади сечения вертикального потока среды А_в должно соблюдаться равенство:

(6.30)

Оно дает основание считать заданной и вертикальную скорость. Обратим внимание на то, что в процессе движения среды также как для энергии имеется два взаимно перпендикулярных направления. Но принципиальное отличие зак-лючается в том, что в случае с энергией процесс происходит в общем объеме, а в случае движения среды – в сопряженных объемах.

Рис. 6.6. Результаты обеззараживания воды

Однако в обоих случаях составляющая потока через боковую поверх-ность представляет собой интеграл по длине пути движения. В рассматри-ваемой модели

(6.31)

Если учесть, что dh=v_вdt, то выражение примет вид:

(6.32)

Таким образом, по заданной скорости, конструктивным параметрам совмещенного объема и известным свойствам среды определяется подводимая мощность.