Пастеризація та стерилізація струмами високої та надвисокої частоти.

Основною перевагою використання високочастотного (ВЧ) та надвисокочастотного (НВЧ) способу перед іншими способами підведення теплоти є можливість рівномірного нагрівання продукту по всьому об'єму незалежно від коефіцієнта теплопровідності та товщини шару. Нагрівання в ідельних умовах відбувається без температурного градієнта (dt/dx=0), при цьому матеріал може поглинати значну енергію за дуже короткі проміжки часу. Тривалість такого нагрівання залежить тільки від підведеної потужності і не залежить від форми та об'єму виробу, що обробляється.

Більшість харчових продуктів та середовищ за своїми електричними властивостями подібні діелектрикам, тобто вони мають достатню високу діелектричну проникність та низьку електропровідність, і тому швидко нагріваються в електромагнітному полі.

До теперішнього часу не існує чітких доказів безпосереднього пливу НВЧ-поля на мікробну клітину. У деяких випадках бактерицидний ефект пояснюється безпосередньою взаємодією електромагнітного поля з життєво важливими елементами клітини. Результатом цього є загибель або пригнічення її життєдіяльності. Однак, поряд з інгібуванням мікрофлори продуктів спостерігається одночасна теплова дія електромагнітного поля.

Найбільшого поширення одержали НВЧ-пристрої потужністю 0,5-1,0 кВт, які призначені для приготування їжі. Промислові НВЧ-усгановки відрізняються великою потужністю (до 100 кВт) та продуктивністю (до декількох тонн на годину) (табл. 10.7).

Високочастотна установка для оброблення молока (рис. 10.15) перед сепаруванням продуктивністю 6000 л/год складається з системи концентричних кілець 1 (труба в трубі), ізольованих між собою ізоляційними вставками 4. Таке конструктивне рішення (коаксіальний спосіб) дозволяє знизити втрати потужності при розсіюванні поля. Система складається з чотирьох труб діаметром 50,116,182 та 250мм. Між внутрішніми і зовнішніми поверхнями труб створюється рівномірне електричне поле високої частоти.

Електричне поле створюється високочастотним генератором потужністю 80 кВт. Зовнішня труба повинна бути заземлена.

Оброблення молока в електричному полі високої частоти перед сепаруванням дозволяє знизити вміст жиру в знежиреному молоці у 8 разів.

На рис. 10.16 подана схема установки для сушіння хрумкої картоплі в полі НВЧ-хвиль на кінцевій стадії технологічного процесу. Сушильна камера потужністю 50 кВт складається з двох паралельних тунелів, які виготовлені з нержавіючої сталі (на рисунку показаний один тунель). НВЧ-поле частотою 915 МГц генерується від магнетрона 1 потужністю 25 кВт. У кінці тунелю встановлено уловлювач 2, в якому згасає енергія, що не поглинулась продуктом. Потужність та швидкість конвеєра 4 регулюється незалежно в кожному з тунелів.

Продуктивність установки залежить від вологості продукту, який поступає на сушіння і знаходиться в межах 640...980 кг/год. Завдяки тому, що при сушінні в полі НВЧ хрумка картопля витягується з олії з більш високою вологістю, продуктивність лінії підвищується на 5-10 %. Товщина шару картоплі на конвеєрній стрічці складає 76-152 мм, температура повітря 88-104°С, тривалість оброблення в тунелі 2,5-4 хв.

Таблиця 10.7

Характеристика промислових НВЧ-установок

Марка	Країна	Частота,МГц	Потужність, кВт	К.к.д.,-%	Максимальний коефіцієнт стоячої хвилі по по напрузі
1160	США	2450	2,5	60	4
1190		2450	5	60	2,5
1375		2450	50	-	-
1454		2450	100	-	-
3903		2450	1,5	70	8
3858		2450	2,65	67	5
-	Японія	2450	2,5	-	-
2М60А		2450	5	-	-
М179		2450	2,5	-	-
-	Франція	2450	2,5	-	4
-	Німеччина	2450	1,2	-	-
-	США	915	25	83	-
	Великобри­танія	915	30
8684	США	915	30	86	-
534	Японія	915	30	-	-

З теоретичної точки зору рівномірне нагрівання в НВЧ ЕМП можна отримати лише в гомогенних зразках правильної форми та невеликих об'ємів. Але в реальних виробничих умовах, коли зразки неоднорідні за структурою та мають складну форму, як правило, відбувається селективне нагрівання.

Відомо, що втрати маси продукту при НВЧ-обробленні залежать від режиму підведення енергії, питомої потужності, властивостей, форми та маси продукту. У процесі інтенсивного НВЧ-нагрівання харчових продуктів бувають випадки перегрівання продукту, які супроводжуються мікровибухами та утворенням розривів тканин продукту. Значною мірою це залежить від природи харчових продуктів.

Підвищення стійкості продуктів спостерігається при температурі, близькій до температури теплового оброблення. Це призводить до змін фізико-хімічних та органолептичних властивостей оброблюваних продуктів.

У порівнянні з традиційним тепловим обладнанням НВЧ-усгановки відрізняються підвищеною складністю, що вимагає від обслуговуючого персоналу відповідних знань. Крім цього, слід враховувати ряд особливостей, пов'язаних з використанням НВЧ-устаткування. Це стосується НВЧ-генераторів і пристроїв захисту від втрат НВЧ-енергії. Джерелом НВЧ-енергії в установках діелектричного нагрівання є магнетрон, тривалість роботи якого значною мірою визначає економічний показник роботи установки. У разі тривалої експлуатації властивості та параметри магнетрона (гістерезисні явища) змінюються, що обмежує застосування способу НВЧ-оброблення.

Інфрачервона пастеризація. Інфрачервоне (ІЧ) випромінювання знайшло широке застосування як в технологічних (термічних) процесах, так і для виконання кількісних та якісних хімічних аналізів.

Потік інфрачервоного випромінення при взаємодії з матеріалом перетворюється в теплоту.

Поглинання ІЧ-променів харчовими продуктами вибіркове, тобто залежить від їх оптичних властивостей та довжини хвилі випромінення. При взаємодії з об'єктом оброблення потік ІЧ-випромінення проходить ряд перетворень: одна його частина відбивається від поверхні об'єкта; друга - поглинається об'єктом, а третя - "пронизується" випроміненням.

Джерелом ІЧ-хвиль, які використовуються в промислових установках, є електричні ІЧ-лампи та керамічні випромінюючі блоки. Залежно від довжини хвилі випромінювачі поділяють на світлі та темні. До світлих відносять такі, в спектрі яких лежить ділянка видимих променів.

Особлива відмінність радіаційного підведення теплоти полягає у прямолінійному розповсюдженні випромінення. У зв'язку з цим при розміщенні випромінювачів в установках для ІЧ-оброблення харчових продуктів необхідно враховувати їх геометричні розміри та фізико-хімічні властивості, а також особливості технологічного процесу. Принципові схеми можливого взаємного розташування випромінювачів 3 та оброблюваного продукта 2 подано на рис. 10.17.

Двохстороннє опромінення продуктів найбільш ефективне для оброблення продуктів прямокутної форми в тонкому шарі (рис 10.17, а). Для продуктів з високою поглинаючою здатністю ІЧ-спектру променів горизонтальний конвеєр виготовляють з суцільної металевої стрічки, яка нагрівається і передає теплоту продукту (рис 10.17, б). Найефективніше оброблення досягається при одночасному опроміненні продукту зі всіх сторін (рис.10.17, в).

Розташування випромнювачів з чотирьох сторін під кутом 45° (рис 10.17, г) призводить до збільшення втрат енергії за рахунок часткового відбиття їх з поверхні продукту, в той час як шорстковатість поверхні продукту знижує ці витрата за рахунок багаторазового відбиття. При обробленні продуктів, що мають форму напівкола, випромінювачі розташовують по формі виробу (рис 10.17, д).

Продукт можна розташовувати між випромінювачем та відбиваючим екраном (рис 10.17, е). Обертання продукту навколо своєї осі дозволяє досягти рівномірного прогрівання.

Автомат для виробництва ковбасних виробів без оболонки (рис.10.18) складається із корпусу 6, бункера 1, ротаційного насосу 2, формувального механізму 4, термічної камери 7.

Ковбасні вироби після формувального пристрою 4 за допомогою конвеєра, який складається з двох робочих ланцюгів, з'єднаних тонкими металевими прутами, направляються в теплову камеру 7. Теплове оброблення виробів проводиться електромагнітними хвилями ІЧ-частотного діапазону Ковбасні батони розташовують на конвейєрі в двох-, трьохрядному чи поперечному положенні.

У камері 7 на спеціальних направляючих під кутом 45° до площини конвеєра розташовані вісім ІЧ-ламп з рефлекторами, що дозволяють отримувати 14 промені з довжиною хвилі 1,4 мкм та густиною теплового потоку 1,35 Вт/см². Камера з'єднана з вентиляційною системою.

Обсмажування ковбасних виробів проводять при швидкості руху конвеєра 0,45 - 0,48 м/с, температурі повітря, що відводиться 200-240°С.

Тривалість обсмажування складає 3,5 хв. Температура в центрі продукту при такому обробленні досягає 70°С.

Обладнання для ультрафіолетового опромінення. У харчовій промисловості ультрафіолетове (УФ) опромінення застосовується для зниження загальної забрудненості мікроорганізмами харчових продуктів - м'яса, молока, у технології збереження та перероблення зернових культур, комбікормів, у виноробстві, пивоварінні, у хлібопекарській промисловості та для знезаражування пакувальних матеріалів, повітря, води, приготування різних стерильних середовищ і розчинів.

УФ промені - невидима частина світлових променів з довжиною хвилі 60-400 мкм. Особливістю УФ променів є їх здатність викликати в опромінюваному продукті хімічні зміни, тобто фотохімічний ефект, достатньо виражений за довжини хвилі менше 290 мкм. Виникнення фотохімічного ефекту в клітинах мікроорганізмів і вірусів за відповідних умов може супроводжуватись їх інактивацією і відмиранням. Найбільш ефективну дію на мікроорганізми мають промені з довжиною хвилі 255-280 мкм. Коротші хвилі добре поглинаються повітрям і їх дія дає бажаний ефект лише на дуже невеликих відстанях. До того ж під дією цих променів утворюється у великих кількостях озон, який хоч і знешкоджує мікроби, але одночасно спричиняє часто небажану дію на продукти.

Під дією УФ променів мікроорганізми відмирають лише у поверхневому шарі продукту, глибина якого не перевищує 0,1 мм. У зв'язку з обмеженою проникною здатністю УФ променів на режим опромінення суттєво впливає характер поверхні продукту. Шорсткість, найменші нерівності добре захищають спори і клітини від дії УФ променів.

Як джерело УФ променів використовують спеціальні ртутні лампи, принцип дії яких полягає у тому, що пари ртуті під дією електричного струму випромінюють яскраве зеленувате світло, збагачене на УФП проміння. Скляні оболонки виготовляють кварцеві та увіолеві (табл. 10.8). Увіолеве скло має підвищену проникність в УФ-зоні спектра завдяки відсутності у ньому оксидів Fe₂0₃,V₂0₃ і сульфідів важких металів.

Електричний розряд у бактерицидній лампі виникає у парах ртуті за низького тиску.

Для прискорення вмикання лампи до парів ртуті додається невелика кількість аргону. Використовують лампи двох типів: ртутно-кварцеві високого тиску і аргоно-ртутні низького тиску.

Ртутно-кварцеві лампи високого тиску (0,05...1,1МПа) випромінюють світло у широкому діапазоні інфрачервоної, видимої і УФ-частин спектра. Це є серйозним недоліком, тому ККД їх не перевищує 5 %.

Аргоно-ртутні лампи низького тиску (0,4.. .0,5 кПа) випромінюють світло, значна частина якого має максимальну бактерицидну дію. Довжина хвилі у них 253,7 нм. Внаслідок цього ККД цих ламп становить 11%.

Використовують два основних типи апаратів для оброблення: із зануреними і незануреними джерелами УФ-опромінення. Перші мають більш високий коефіцієнт використання потужносгі, але конструктивно вони складніші.

На рис. 10.19 показано установку для стерилізації рідких харчових продуктів (соків, молока) УФ-променями. Установка складається з приймальної ємності 1, трубопроводу 2, колекгора 3, пластини 4, УФ-ламп 5, встановлених в бокових частинах корпусу установки 6. Оброблюваний продукт з ємкості 1 по трубопроводу 2 через колектор 3 поступає на робочу пластину 4. Форма пластини має ребристу форму, що дозволяє отримувати рівномірну тонку плівку товщиною 2,0-2,5 мм. Оброблення харчової рідини проводять УФ-лампами 5, які змонтовані в окремі секції. Ширина установки визначається довжиною встановлюваних ламп. Кількість ламп в секції визначається необхідною дозою УФ-опромінення. Зокрема, оброблення молока УФ- лампами ДБ-30 підвищує вміст вітаміну Д₃ в 40-100 раз.

Таблиця 10.8

Параметри бактерицидних УФ-ламп

Тип УФ- лампи	Напруга, В	Струм, А	Потужність, Вт	Термін експлуатації, год	Початковий бактерицидний потік	Матеріали колби
ДБ 8-1	220	0,17	8	5000	1,4	Увіолеве скло
ДБ8	220	0,17	8	5000	2,7	Кварц
ДБ 30-1	220	0,36	30	5000	6,0	Увіолеве скло
ДБ60	220	0,70	60	3000	8,0	Віолеве скло
ДРТ400	220	3,25	400	2700	10,8	Кварц
ДРТ1000	220	7,50	1000	2200	30,0	Кварц
ДРТБ 2000	380	9,20	2000	3000	90,0	Кварц
ДРБ30	220	0,36	30	8000	10,5	Кварц
NUV 30WLL	220	0,37	30	8000	10,0	Увіолеве скло

з інтенсивністю опромінення до 80 Вт/см². Причому, доза 250 мВт/см² знижує кількість бактерій на три порядки при тривалості оброблення матеріалу протягом 10 с.

Слід зазначити, що практичне застосування УФ-оброблення харчових рідин має ряд обмежень. Найістотнішим із цих обмежень є відносно високе питоме поглинання енергії УФ хвиль, внаслідок чого ефективним є оброблення тільки поверхневого шару технологічних потоків рідин (особливо сильними УФ-фільтрами є жири). Для усунення цього недоліку перспективним є комбіноване оброблення рідин, при застосуванні якого використання додаткового фізичного впливу дозволило б досягти як додаткового бактерицидного ефекіу, так і постійного оновлення поверхневого шару оброблюваної рідини, який перебуває у контакті з УФ-хвилями.. Оброблення пружними хвилями.

Акустичні поля знайшли широке застосування в харчовій промисловості для інтенсифікації процесів емульгування, гідрогенізації соняшникової олії та гідратації рослинних олій, технології перероблення зернових матеріалів, технології приготування фруктових та овочевих соків, кристалізації молочного жиру тощо.

При здійсненні технологічних процесів у полях потужних пружних хвиль використовують різну техніку генерацїї цих хвиль: магнітнострікційні електромеханічні перетворювачі з концентраторами, сирени, УЗ сопла тощо. Вибір джерела залежить як від потужності, технологічних, конструктивних показників процесу, так і від вимог до частотних характеристик оброблення.

УЗ здатний переносити значну кількість енергії: від кількох до десятків ват на 1 см² випромінювальної поверхні. Використання фокусувальних систем дає можливість сконцентрувати в центральній частині фокальної УЗ-плями велику енергію порядку кВт/см².

Існує багато конструкцій УЗ-установок, у яких робочим елементом для генерування пружних коливань є магнітостриктор. Одну з типових конструкцій наведено на рис.10.20. У даній установці використано комбінований влив (УЗ та УФ), що дозволяє поряд з диспергуванням одержати стерилізаційний ефект оброблення.

УЗ-установка для диспергування харчових продуктів складається з корпусу 1,2, в якому знаходиться акустична ванна 3, електромеханічні перетворювачі 4 та трубопровід 5 для підведення та відведення продукту. Магнітострикційні випромінювачі дозволяють одержувати робочу частоту в діапазоні 44+4,4 кГц, а інтенсивність випромінювання могла досягати 1,2 Вт/см².

Установки для магнітного оброблення харчових продуктів. З технологічною метою магнітні поля використовуються в основному для:

• омагнічення води (процес зниження жорсткості) та водяних розчинів;

• впливу на біологічні об'єкти.

Як правило, значення індукції магнітного поля знаходяться в межах 0,2-5,0 Тл, а градієнту -50-1000Тл/м.

Для магнітного оброблення харчових продуктів застосовують два типи установок - з електромагнітами та комутуючими магнітними пристроями.

Одну з типових конструкцій установки із електромагнітами наведено на рис. 10.21.

Він складається з корпусу 1, який виготовлений з стальної труби, всередині якої розміщено електромагнітну систему, яка включає декілька намагнічувалиих котушок 2, полюсних кілець 3 та серцевини 4. Діелектричний кожух електромагніта з одного боку закритий конусною гайкою 7, а з другого за допомогою фланця 13 закріплюється до корпусу. Робоча рідина проходить в апараті через щілину 8, що утворюється між корпусом установки та електромагнітом, перегинає магнітні поля і обробляється. Швидкість руху рідини в апараті встановлюється в межах 1-3 м/с.

Номінальну напругу для цих апаратів встановлюють з розрахунку вмісту солей. Так, при обробленні води із загальним вмістом солі до 300 мг/л та загальної твердосгі 3 напруженість магнітного поля складає 24 кА/м, напруга -12 В; при загальному вмісгі солі до 600 мг/л та твердості 8 - напруженість магнітного поля 48 кА/м, напруга 24В.

6

Для "холодної" пастеризації харчових продуктів, розфасованих у герметично закупорену тару з немагнітного матеріалу, використовують магнітно-імпульсні установки (МГУ) з частотою заповнення магнітних імпульсів до 130кГц та напруженістю 1-5Тл (табл.10.9).

МГУ складаються з таких основних елементів: індуктора, ємнісного накопичувача, зарядного пристрою, що включає підвищувальний та випрямний блоки, блока автоматики, комутувального пристрою, задавача, блока підпалювання, пуско­регулювального пристрою, розподільника напруги, корогкозамикача (рис. 10.22).

МГУ працює наступним чином. Попередньо заряджений потужний ємнісний накопичувач при подаванні підпалюючого імпульса на керувальний розрядник розряджується на погоджувальний пристрій та індуктор. Зарядна напруга накопичувача регулюється блоком автоматики. Використання погоджувального пристрою, що являє собою трансформатор струму спеціальної конструкції, дозволяє підвищувати величину розрядного струму в робочій зоні індуктора і, відповідно, - магнітного поля.

При розраді ємнісного накопичувача на індуктор, в активній зоні якого розміщено оброблюваний об'єкт в діамагнітній герметично закупореній тарі, в останньому індукуються вихрові струми та сильне магнітне поле.

Для розрахунку основних параметрів магнітно-імпульсного оброблення можна використати наступні формули:

Таблиця 10.9

Основні параметри М1У-5

№	Найменування параметрів	Одиниці	Значення	Граничне
п/п		виміру		відхилення,%
1	Номінальна накопичувана енергія	кДж	5,3	±10
2	Номінальна вихідна напруга, не більше	кВ	20	±5
3	Кількість конденсаторів	Шт	4	-
4	Ємність конденсатора	мкФ	12	-
5	Власна частота розрядного контура установки	кГц	100	±10
6	Величина пускового струму протягом 2с, не більше	А	200	± 10
7	Напруга мережі	В	380	5
8	Частота струму мережі	Гц	50	±1
9	Кількість фаз мережі	-	3	-
10	Власна індуктивність	кВА	53	-
11	Тривалість зараджування накопичувача до номінальної напруги, не більше	С	4	±5
12	Діапазон регулювання енергії на накопичувачах (15 дискретних значень)	кДж	1...5
13	Ресурс розрядника, число розрядів, не більше		106

На рис. 10.23 подано схему магнітно-імпульсного оброблення рідких харчових продуктів, розфасованих в герметичну тару, яка включала в себе розливально-закупорювальний автомат 1, систему конвеєрів 2, додатковий накопичуваний стіл 3, підіймально-опускний пристрій 9 (пристрій подачі), батарею індукторів 4, МІУ 5, автомат укладання пляшок у тару 6, накопичуваний стіл 7, етикетувальну машину 8.

Залежно від продуктивності та технологічних параметрів оброблення батарея індукторів 4 складається з певної кількості індукторів. При цьому одним імпульсом здійснюється оброблення одночасно кількох пляшок.

Магнітно-імпульсне оброблення закоркованого у пляшках харчового продукту здійснювали таким чином.

Після заповнення продуктом та закорковуваная у розливально-закупорювальному автоматі 1 пляшки за допомогою конвеєра 2 надходили на додатковий накопичуваний стіл 3, що слугував буферною місткістю для формування "пакетів" з кількох пляшок для магнітно-імпульсного оброблення. Сформований "пакет" з пляшок надходить на підіймально-опускний пристрій 9, за допомогою якого пляшки опинялись у робочій зоні батареї індукторів 4. Після здійснення магнітно-імпульсного оброблення імпульсом, сформованим МІУ 5, пляшки за допомогою підіймально-опускного пристрою 9 виводили з робочої зони батареї індукторів 4 та подавали на систему конвеєрів 2 для транспортування в робочі зони етикетувальної машини 8 та за допомогою накопичуваного столу 7 - в автомат укладання пляшок у тару 6.

Установки для оброблення харчових продуктів електричними полями.

Оброблення харчових продуктів електричними полями має універсальний характер, оскільки до складу кожного продукту входять електрично заряджені частинки, які впливають як на внутрішньо-,так ізовнішньоклітинні обмінні пфоцеси. Знак і величина заряду як частинок, так і клітин, визначається напрямком і швидкістю їх руху в зовнішньому постійному електричному полі.

У структурі клітин мікроорганізмів поряд з негативно зарадженими колоїдними частинками містяться магнетіт або діа- та парамагнітні речовини. Це певною мірою пояснює наявність у мікроорганізмів високої магнітної чутливості, яка в середньому перебуває в межах—(0,167...0,515) 10^-6.

Практичне значення при виробництві рідких харчових продуктів подовженого терміну зберігання із збереженням їх харчо-смакових властивостей є їх оброблення високовольтними постійними електричними полями в безконтактному режимі.

Конструкція установки для високовольтного елекгрооброблення рідких харчових продуктів зображена на рис. 10.24. Потік оброблюваного харчового продукту (від'ємний електрод) через канал введення 1 потрапляє у скляну трубу 5 (робочу зону установки), пройшовши яку, через канал виведення 6 подається на наступні технологічні операції. На одній осі зі скляною трубою 5 за допомогою діелектричних фланців 7 закріплено циліндричний металевий плюсовий електрод 3 та зовнішній скляний циліндричний ізолювальний кожух 4. Підключені до електрода 3 електричні комунікації через отвір у фланці 7 виводились за межі установки для увімкнення у високовольтне джерело струму 2.

Оброблення здійснюють при швидкості руху продукту в діапазоні 0,04-0,2 м/с при напруженості електричного поля в діапазоні 0,25-2,5 кВ/см. Використання такого способу оброблення дозволяє знизити концентрацію мікроорганізмів у продукті на 1,5-2 порядки та збільшити швидкість фільтрації в 1,5-2 рази.

Принципова схема оброблення рідких харчових продуктів включає в себе ємність 1, систему трубопроводів, збірник 4, фільтр 5, насос 7, проточну установку 2, високовольтне джерело живлення 3 (рис. 10.25).

Безконтактне високовольтне електрооброблення продукту здійснюють таким чином.

Після перевірки заземлення на електроди установки 2 подається напруга від високовольтного джерела живлення 3, після чого відкривається вентиль 6. Після електрооброблення у проточній установці 2 продукт направляється в фільтр 5 на операцію фільтрації, після виконання якої він поступає в збірник 4 та на наступні технологічні операції.