Способ и устройство для стерилизации жидкости - RU2275826C2

Чертежи

Показать все 11 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к способу стерилизации жидкости или твердого объекта, находящегося в контакте с жидкостью, и к устройству, в котором воплощен этот способ.

Настоящее изобретение, в частности, относится к способу стерилизации водного раствора, а также поверхностей, находящихся в контакте с этой жидкостью, зараженных, в частности, дрожжами или плесенным грибком.

Известно несколько способов стерилизации жидкости, а также поверхностей, находящихся в контакте с этой жидкостью. Один из способов состоит в использовании проникающей радиации, такой, как ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, γ -излучение и β-излучение. Способ, в котором используется ультрафиолетовое излучение, является относительно медленнодействующим и не позволяет производить обработку в затененных областях. Кроме того, такое излучение может изменять структуру молекул, энергия возбуждения которых меньше 2 эВ. Другие виды ионизирующего излучения часто приводят к порче продукта, поскольку могут изменить его физико-химические свойства, разрушить некоторые молекулы или вызвать состояние возбуждения, которое может быть опасным для здоровья потребителя (см. публикацию Berhard D.Т., Gravin A., Scott V.N., Shafer В.D., Stevenson К.Е., Unverferth I.А. и Chandarana D.I. "Validation of Aseptic Processing and Packaging", Food Technology, 1990, 12, p.119-122 ("Аттестация стерильной обработки и упаковки". Технология производства продовольственных продуктов, 1990 г., 12 страниц, 119-122).

В других хорошо известных способах стерилизации используют химические вещества, предназначенные для уничтожения микроорганизмов. Использование химических веществ для дезинфекции или стерилизации подлежит строгому контролю из-за высокой вероятности порчи некоторых продуктов, а также отрицательного воздействия на окружающую среду и здоровье потребителей. В пищевой промышленности, например, существует тенденция снижения, если не устранения, использования консервирующих веществ.

Очень часто используются способы стерилизации теплом, такие, как пастеризация, но они имеют недостаток, состоящий в ухудшении свойств продукта, в результате чего, в случае пищевых продуктов, происходит модификация их органолептических и пищевых свойств, а также снижается уровень витаминов, таких, как витамин С.

Пастеризацию обычно производят при температуре, превышающей 75°С, и эту температуру очень часто поднимают до уровня выше 90°С на период более 60 секунд.

Способ стерилизации, описанный в публикации WO 97/19707, состоит в генерировании бактерицидных соединений, а именно гипохлорита натрия, электрохимическим способом. Этот способ также изменяет свойства стерилизуемой жидкости.

Для устранения недостатков вышеуказанных способов были разработаны механические способы уничтожения микроорганизмов, не ухудшающие физико-химических свойств жидкостей. Эти способы основаны на генерировании разности давлений, например, с помощью ультразвука, ударных волн или приложения очень высоких давлений, между внутренним объемом микроорганизмов и их внешним окружением, так, что происходит разрушение внешних мембран микроорганизмов. Эти способы являются очень сложными и дорогостоящими.

Существуют другие способы, основанные на генерировании электрических и электромагнитных полей, которые все еще находятся на этапе разработки и которые описаны, например, в следующих документах:

- Le Tinier Y. "Stabilisation microbiologique des aliments par champs electriques pulses". Cours international de microbiologie et de maotrise de la securite des aliments ("Microbiological stabilization of products by pulsed electric fields". International course on microbiology and on food products safety insurance ("Микробиологическая стабилизация продуктов импульсными электрическими полями". Международный курс микробиологии и обеспечения безопасности пищевых продуктов)) (4-15 мая 1998 г.), Институт Пастера, г.Лилль, 1998 г.; и

- Sitzmann W., Munch E.W. "Electrische Hochspannungsimpulse zur Abtötung von Microorganismen in pumpfahigen Nahrungsmitteln" (High tension electric pulses for killing microorganisms in pumpable food products (Использование высоковольтных электрических импульсов для уничтожения микроорганизмов в перекачиваемых пищевых продуктах)). Die Molkerei-Zeitung, 42-ой год, том 48, 1998 г.

Микроорганизмы уничтожают способом необратимой электропорации окружающей их мембраны под действием импульсного электрического поля высокой плотности (ЭПВП (HDEF)). Эти способы, которые предложены, в основном, для стерилизации напитков, требуют применения электрических полей напряженностью порядка 10⁵-10⁶ В/см, которые прикладывают в виде одного или нескольких импульсов длительностью порядка 10^-5-10^-6 секунд. Объем обрабатываемой жидкости очень невелик, порядка нескольких кубических миллиметров, и жидкость должна протекать между кончиком первого электрода и кончиком второго электрода, при этом расстояние между электродами составляет от величины меньше одного миллиметра до нескольких миллиметров. Помимо того, что такой способ является относительно дорогостоящим, очень высокий электрический потенциал может изменять физико-химические свойства жидкости из-за деградации некоторых молекул.

Ни один из способов, указанных выше (кроме способов, в которых используется проникающая радиация, и способа механического воздействия с использованием ультразвука) не может осуществляться после того, как жидкость будет налита в герметично закрытый контейнер.

С учетом недостатков обычных способов настоящее изобретение направлено на способ стерилизации жидкости или твердого объекта, погруженного в жидкость или находящегося в контакте с ней, который не ухудшает или только незначительно ухудшает физико-химические свойства жидкости или твердого вещества. При этом желательно разработать способ стерилизации, который позволяет обрабатывать большие объемы жидкости при низких затратах.

Чрезвычайно предпочтительно обеспечить возможность одновременной стерилизации жидкости и герметично закрытого контейнера, в котором находится эта жидкость, или других поверхностей, находящихся в контакте с жидкостью.

Также желательно обеспечить возможность стерилизации жидкости, находящейся в обычном контейнере, который используется в пищевой промышленности, такой, как контейнер из полиэтилентерефталата (ПЭТ).

Кроме этого, желательно обеспечить возможность стерилизации жидкости без какого-либо изменения ее питательных качеств, и в частности, содержания естественных витаминов.

Кроме того, настоящее изобретение направлено на устройство, предназначенное для осуществления способа стерилизации, который не ухудшает или только незначительно ухудшает физико-химические свойства жидкости или твердого вещества, находящегося в контакте с жидкостью. Кроме того, предпочтительно, создать способ, который позволяет стерилизовать большие объемы жидкости при низких затратах.

Цели настоящего изобретения достигаются с помощью способа стерилизации жидкостей или твердых объектов, находящихся в контакте с жидкостью, по п.1, и устройства по п.17 формулы изобретения, предназначенного для осуществления этого способа.

В настоящем изобретении способ, предназначенный для стерилизации жидкостей или твердых объектов, находящихся в контакте с жидкостью, включает этап или этапы нагрева жидкости и приложения электрического поля напряженностью порядка 10² В/см или выше.

Кроме того, в способе, в соответствии с настоящим изобретением, в ходе обработки стерилизацией, предпочтительно использовать акустическую вибрацию, предпочтительно в ультразвуковом диапазоне частот.

Один из важных результатов настоящего изобретения состоит в том, что оказалось достаточным прикладывать относительно слабое электрическое поле для уничтожения микроорганизмов, если стерилизуемую жидкость нагревать до температуры выше, чем пороговая температура T_s, причем эта пороговая температура существенно ниже, чем температура, необходимая для стерилизации с использованием только теплового эффекта, т.е. с использованием способа пастеризации.

Другой важный результат настоящего изобретения состоит в том, что дополнительное использование акустической вибрации в ходе обработки стерилизации усиливает ее разрушительное воздействие на микроорганизмы и позволяет снизить температуру обработки.

Было обнаружено, что пороговая температура T_s (без применения вибрации) для большинства микроорганизмов составляет приблизительно от 60 до 75°С. Также было обнаружено, что дополнительное использование акустической вибрации позволяет снизить температуру обработки приблизительно на 10-30°С.

Другое важное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что время, необходимое для уничтожения микроорганизмов, в данном способе очень невелико. В некоторых случаях его продолжительность может составлять порядка секунды или меньше.

Способ, в соответствии с настоящим изобретением, позволяет достичь существенных преимуществ. Прежде всего, электрическое поле напряженностью порядка 10²-10³ В/см может быть легко получено и может прикладываться к относительно большому объему жидкости, такому, как объем контейнера емкостью один литр в виде обычной цилиндрической бутылки, используемой в пищевой промышленности. Во-вторых, очень короткая продолжительность стерилизации снижает время, требуемое для получения стерилизованной жидкости и, в соответствии с этим, уменьшает затраты на ее производство, в частности, когда предполагается обработка больших объемов, независимо от того, находится ли жидкость внутри контейнера или нет, без ухудшения физико-химических свойств жидкости. В-третьих, возможно проведение стерилизации жидкости, содержащейся в герметично закрытых контейнерах, или даже в контейнерах, изготовленных из пластиковых материалов, таких, как полиэтилентерефталат, которые выдерживают температуру до приблизительно 75°С. В-четвертых, может осуществляться стерилизация жидкости с высокой вязкостью или содержащей взвешенные частицы, или белки, без какого-либо риска коагуляции.

Способ, в соответствии с настоящим изобретением, позволяет производить стерилизацию поверхностей твердых объектов, погруженных или находящихся в контакте с жидкостью, без изменения физико-химических свойств твердых объектов.

Таким образом может осуществляться стерилизация жидких пищевых продуктов, таких как напитки, после операции разлива их в бутылки или в некоторые другие герметично закрытые контейнеры. Контейнеры и крышки или колпачки не обязательно стерилизовать заранее, поскольку способ, в соответствии с настоящим изобретением, также обеспечивают стерилизацию поверхности, находящейся в контакте с жидкостью. С этой целью, в ходе операции стерилизации контейнер вращают таким образом, чтобы жидкость заливала всю внутреннюю поверхность контейнера. В конкретном случае стерилизации жидкости, разлитой в бутылки, которые являются, по существу, симметричными по отношению к своей оси, бутылку просто необходимо вращать вокруг ее оси симметрии, при расположении этой оси симметрии приблизительно горизонтально.

Электрическое поле может быть получено с помощью источника тока, который является источником постоянного тока, переменного тока или импульсного тока, или с использованием электромагнитных волн, в частности, сверхвысокочастотных колебаний. Предпочтительно, электрическое поле, прикладываемое к жидкости, имеет напряженность порядка 10³ В/м и температура жидкости поддерживается в течение периода, по меньшей мере, приблизительно 0,3 секунды на уровне от 62°С до 75°С.

Жидкость перед этапом нагрева до температуры стерилизации и приложения электрического поля может быть предварительно нагрета до температуры, меньшей 62°С. После этапа стерилизации жидкость может быстро охлаждаться, например, с помощью теплообменника, который отбирает часть тепловой энергии с последующим ее использованием для предварительного нагрева жидкости, еще не прошедшей обработку.

Предпочтительно, для повышения температуры жидкости до уровня 62°С или выше может использоваться тот же источник электроэнергии, который предназначен для генерирования электрического поля. Например, с одной стороны, источник СВЧ-излучения может нагревать жидкость и, с другой стороны, создавать электрическое поле, которое можно регулировать в зависимости от длины волны и мощности, до величины, требуемой для стерилизации жидкости, в частности, с учетом ее электропроводности, а также размеров и формы контейнера и скорости передвижения жидкости в поле.

Приложение электрического поля и нагрев также могут осуществляться способом электромагнитной индукции, получаемой с помощью витков провода, с подачей электроэнергии в форме переменного электрического тока или однополярных электрических импульсов. Приложение электрического поля также может осуществляться с помощью двух электродов, установленных с каждой стороны объема стерилизуемой жидкости. Напряжение переменного или постоянного тока на электродах формирует электрическое поле. Напряжение, прикладываемое к электродам, зависит, среди прочего, от расстояния между электродами и от диэлектрических/электропроводных свойств стерилизуемой жидкости.

Другие цели и преимущественные аспекты настоящего изобретения будут очевидны из формулы изобретения, описания и примеров, приведенных ниже, а также из чертежей, на которых:

фиг.1 изображает схематично устройство для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - в перспективе первый альтернативный вариант части устройства, предназначенного для приложения электрического поля к стерилизуемой жидкости и контейнеру;

фиг.3 - другой альтернативный вариант части устройства, предназначенного для приложения электрического поля к стерилизуемой жидкости и контейнеру;

фиг.4 - еще один альтернативный вариант части устройства, предназначенного для приложения электрического поля к стерилизуемой жидкости и контейнеру;

фиг.5 - дополнительный альтернативный вариант части устройства, предназначенного для приложения электрического поля к стерилизуемой жидкости и контейнеру;

фиг.6 - еще один альтернативный вариант части устройства, предназначенного для приложения электрического поля к стерилизуемой жидкости;

фиг.7 - диаграмму, иллюстрирующую диапазоны температуры стерилизации и длительности, используемые в настоящем изобретении в сравнении с известным способом пастеризации;

фиг.8 - схематично в разрезе смеситель, который предназначен для подачи в стерилизуемую жидкость добавки для изменения средней тепловой инерции жидкости, при этом смеситель является частью устройства для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.9 - схематично в разрезе часть устройства, предназначенного для приложения электрического поля, включающего теплообменник, предназначенный для поддержания требуемой температуры стерилизуемой жидкости;

фиг.10 - в перспективе в разрезе другой альтернативный вариант части устройства, предназначенного для приложения электрического поля к стерилизуемой жидкости;

фиг.11 - схематично пункт стерилизации;

фиг.12 - устройство отсечки СВЧ-излучения, используемое в устройстве по фиг.11.

Как показано на фиг.1, устройство 1, используемое для стерилизации жидкости 2, находящейся в герметично закрытом контейнере 3, например в бутылке, содержит кинематическую систему 4, предназначенную для установки и перемещения жидкости в контейнере 3 в различные пункты обработки устройства: пункт 5 нагрева, пункт 6 стерилизации и пункт 7 охлаждения, причем эти пункты расположены по длине кинематической системы 4.

Пункт 5 нагрева может содержать нагревательные элементы, предназначенные для обработки контейнера 3 с помощью конвекции и/или инфракрасного излучения, до температуры, например, порядка 20-60°С. Нагревательный элемент также может представлять собой часть теплообменника, охватывающего пункт 7 охлаждения, причем в последнем осуществляется восстановление скрытой тепловой энергии стерилизованной жидкости 2' после прохождения пункта 6 стерилизации. В этом случае пункты 5, 7 нагрева и охлаждения связаны между собой трубопроводами 8. Принцип работы таких теплообменников хорошо известен, и нет необходимости в более подробном их описании.

Однако, следует отметить, что теплообменник позволяет восстанавливать от 40 до 90% энергии, используемой для нагрева.

Другое преимущество этой системы состоит в том, что предварительный нагрев жидкости снижает мощность, которую требуется подавать на пункт 6 стерилизации, и/или уменьшает длительность стерилизации. Быстрое охлаждение жидкости после стерилизации позволяет не только сэкономить энергию, но также снижает степень ухудшения физико-химических свойств жидкости под действием температуры. В этом отношении важно отметить, что разрушение витаминов или других питательных элементов происходит в функции температуры и времени, в течение которого в жидкости поддерживается эта температура.

По сравнению с тепловыми способами, такими, как пастеризация, для проведения которой для некоторых жидкостей, которые, по существу, представляют собой водные жидкости, обычно требуется поддерживать температуру, превышающую 90°С, в течение периода приблизительно 60 секунд, способ, в соответствии с настоящим изобретением, является значительно более предпочтительным, поскольку стерилизация проходит в течение периода менее одной секунды при температуре приблизительно 62-75°С. Воздействие температуры зависит только от эффективности фазы нагрева и, в частности, от фазы охлаждения.

Пункт 6 стерилизации содержит источник электроэнергии, предназначенный для питания элемента, генерирующего электрическое или электромагнитное поле, который позволяет генерировать электрическое поле напряженностью приблизительно 10³ В/см в жидкости 2, проходящей через пункт стерилизации. В примере по фиг.1 электрическое поле генерируется с помощью индуктивного элемента 9, который, с одной стороны, нагревает жидкость и, с другой стороны, создает электрическое поле напряженностью порядка 10³ В/см. Нагрев жидкости с помощью индукции требует, чтобы эта жидкость была электропроводной, например представляла собой водосодержащий электролит, в частности, содержащий соли, даже в небольшом количестве. Нагрев под действием индукции также требует использования источника переменного тока, предпочтительно тока высокой частоты, например, порядка 10⁶ Гц или больше. Пункт 6 стерилизации дополнительно содержит датчик 10 температуры, включенный в цепь 10' управления источника 1' тока, который предназначен для подачи электроэнергии и соответственно нагрева жидкости.

Например, для нагрева одного литра воды в течение 0,3 секунд от 30°С до 70°С требуется мощность приблизительно 500 кВт.

Для обеспечения равномерного распределения температуры в стерилизуемой жидкости кинематическая система 4 включает устройство, предназначенное для вращения контейнеров 3, которое позволяет, с одной стороны, перемешивать жидкость внутри контейнера и, с другой стороны, вращать жидкость в электрическом или в электромагнитном поле. Контейнер 3 проходит через пункт 6 стерилизации, вращаясь, так, что электрическое или электромагнитное поле прикладывается равномерно по всему объему жидкости, которая проходит через индуктивный элемент 9. Из-за очень короткого периода стерилизации вращение может осуществляться предпочтительно со скоростью приблизительно 1000 оборотов в минуту.

Контейнеру 3 могут быть приданы другие движения для повышения скорости передачи тепла благодаря принудительной конвекции внутри контейнера. Принципы описанных выше устройства и способа также могут применяться к жидкости, которая не находится в герметично закрытом контейнере, а, например, в трубопроводе, проходящем через устройство, в котором жидкость постоянно протекает через этот трубопровод, при осуществлении, в случае необходимости, перемешивания или вращения с помощью лопастей или другого механического средства, расположенного в трубопроводе и воздействующего на поток жидкости в этом трубопроводе. В такой системе возможно вводить добавки 11 (фиг.8), например стеклянные шарики или нерастворимый и химически нейтральный порошок в смесителе 12 стерилизуемой жидкости 2 для модификации средней тепловой инерции жидкости, в частности для ее снижения с целью обеспечения более быстрого нагрева или охлаждения жидкости. Это показано на фиг.8, на которой схематично изображен пункт 5 нагрева и пункт 7 охлаждения, а также пункт 6 стерилизации, установленные вдоль трубопровода 13, по которому протекает стерилизуемая жидкость 2, смешанная с добавкой 11. После пункта 7 охлаждения расположен пункт 14 разделения, например фильтр, с помощью которого от стерилизованной жидкости 2' отделяют добавки 11.

Вместо использования индукционного элемента для нагрева и приложения электрического поля также можно генерировать СВЧ-излучение, которое поглощается жидкостью 2, проходящей через волновод 15, такой, как показан на фиг.2. Контейнер 3 проходит через отверстия 16 и 17 волновода 15, перпендикулярно к нему, с обеспечением поглощения энергии СВЧ-излучения жидкостью. Расстояние от центра объема жидкости до конца волновода 15 равно нечетному количеству четвертей длины волны λ (λ/4, 3λ/4, 5λ/4 ...).

На фиг.3 трубопровод 13 проходит через волновод 15 и по этому трубопроводу протекает стерилизуемая жидкость 2, или, в альтернативном варианте, электропроводный раствор, в который погружены контейнеры 3' любой требуемой формы, содержащие стерилизуемую жидкость. Предпочтительно, жидкость в трубопроводе 13 имеет свойства, аналогичные свойствам стерилизуемой жидкости, находящейся в контейнере 3'. Это позволяет стерилизовать контейнеры с малыми размерами и/или любой формы, например гибкие пакетики, причем жидкость в трубопроводе 13 позволяет обеспечить точное управление температурой и приложением электрического поля к стерилизуемой жидкости.

Кроме использования индукционного элемента 9 или волновода 15, генератор электрического или магнитного поля может быть выполнен с использованием множества устройств различной формы, например, он может быть сформирован в виде кольцевых соосных электродов 18, 19, установленных на определенном расстоянии друг от друга, как показано на фиг.4, или в виде двух электродов 18', 19', установленных с двух сторон объема стерилизуемой жидкости, как показано на фиг.5, Такой альтернативный вариант хорошо подходит для контейнеров, имеющих форму параллелепипеда, таких, как пакеты с молоком или фруктовым соком.

В альтернативном варианте, который показан на фиг.6, генератор электрического или электромагнитного поля содержит электрод, выполненный в форме провода или стержня, который представляет собой внутренний электрод 18'', вокруг которого коаксиально расположен внешний электрод 19'', причем промежуток между электродами используется для циркуляции стерилизуемой жидкости в трубопроводе 13''. В альтернативных вариантах по фиг. 4-6 электрическое поле может генерироваться с помощью приложения постоянного напряжения между электродами в жидкости, которая была нагрета в пункте 5 нагрева до температуры стерилизации, а именно до уровня 60-75°С, или также может использоваться высокочастотный переменный ток для одновременного нагрева жидкости и приложения электрического поля.

На фиг.9 показано в разрезе устройство, в котором электрическое поле прикладывается с помощью системы внешних электродов 18', 19', при этом электроэнергия поступает из высокочастотного источника 6' электроэнергии. Теплообменник 20 позволяет охлаждать стерилизуемую жидкость 2 во время приложения электрического поля для предотвращения излишнего нагрева жидкости 2 при прохождении высокочастотного тока через эту жидкость.

На фиг.10 показана часть пункта стерилизации, который построен аналогично показанному на фиг.3, с использованием СВЧ-энергии для нагрева и стерилизации жидкости 2. Этот вариант включает волновод 15', через который проходит трубопровод 13', внутри которого протекает стерилизуемая жидкость 2 от нижней его части 21 к верхней части 22.

Волновод 15' содержит входную часть 24 и огороженную камеру 25, в которой установлены или сформированы один или несколько криволинейных отражателей 26. Эти отражатели могут быть сформированы непосредственно в металлической стенке камеры 25 или могут быть установлены как отдельные детали внутри этой камеры. Такие отражатели могут иметь, в общем, сферическую форму и используются для отражения СВЧ-излучения внутри камеры 25 для относительно равномерного распределения СВЧ-излучения по объему камеры 25.

Трубопровод 13' может содержать спиральные витки 23, расположенные внутри камеры 25 волновода. Трубопровод 13' может быть выполнен из материала, слабо поглощающего СВЧ-излучение, например, из такого материала, как кварц, тефлон или полиэтилен, так, чтобы энергия СВЧ-излучения, в основном, поглощалась стерилизуемой жидкостью 2. Стерилизуемая жидкость 2 протекает в трубопроводе 13' из нижней части в верхнюю часть так, что предотвращается образование и постоянное присутствие пузырьков газа. Спиральные витки 23 позволяют увеличить длину трубопровода 13' и соответственно увеличить время нахождения стерилизуемой жидкости в волноводе, обеспечивая очень компактные размеры устройства. Это также позволяет выполнить трубопровод 13' с небольшим диаметром для нагрева, но прежде всего для более быстрого охлаждения стерилизуемой жидкости.

На фиг.11 показан пункт 6 стерилизации, содержащий СВЧ-генератор 1'', передающий СВЧ излучение через волновод 27 и кинематическую систему 28 для бутылок или других контейнеров 3, заполненных стерилизуемой жидкостью 2 и герметично закрытых. Кинематическая система 28 включает участок 29 обработки в канале, проходящем между входной частью 30 канала и выходной частью 31 канала. Входная и выходная части канала содержат устройства 32 экранирования СВЧ-излучения. В данном варианте воплощения устройства экранирования выполнены в виде крестовины, установленной с возможностью поворота вокруг оси 33 вращения и оснащенной металлическими лопатками 34 в части канала 35, которая выполнена, по существу, цилиндрической и радиус которой равен ширине лопаток 34, плюс зазор, необходимый для обеспечения возможности вращения этих лопаток. Входная часть 30 канала и выходная часть 31 канала проходят соответственно, по существу, в цилиндрические части канала таким образом, чтобы они не были направлены напрямую к участку 29 обработки. Такая конфигурация позволяет полностью и надежно предотвратить какую-либо утечку СВЧ-излучения.

Волновод 27 установлен на участке 29 обработки и отделен от этого участка распределительной стенкой 36, в которой сформированы прорези 37. Конфигурация прорезей 37 оптимизирована таким образом, чтобы СВЧ-излучение, по существу, равномерно нагревало весь объем контейнера. Скорость, при которой контейнер перемещается по участку 29 обработки, также регулируют таким образом, чтобы обеспечить требуемую температуру обработки стерилизуемой жидкости. Скорость, при которой контейнеры перемещаются внутри канала обработки, также зависит от мощности СВЧ-излучения, испускаемого генератором 1''.

Контейнеры 3 могут перемещаться с помощью конвейерной системы конвейера (не показана) внутри канала. В альтернативном варианте, который разработан для обработки, по существу, цилиндрических бутылок, участок 29 обработки может проходить наклонно под углом α, что позволяет обеспечить свободное качение контейнеров вдоль канала. Такое качение не только дает возможность исключить необходимость установки системы транспортировки, но также дополнительно обеспечивает перемешивание обрабатываемой жидкости с помощью конвекции внутри контейнера. Это улучшает равномерность нагрева и соответственно обработки электрическим полем.

Настоящее изобретение является в особенности эффективным для уничтожения микроорганизмов типа плесени, таких как Aspergillus niger, Byssochlamys nivea и Byssochlamys fulva, а также дрожжевых микроорганизмов, таких как Saccharomyces cerevisiae, как находящихся в объеме жидкости, так и ранее присутствовавших на стенках контейнера или других твердых объектах, расположенных внутри жидкости. При этом невозможно обнаружить какое-либо изменение физико-химических свойств жидкости. В частности, уровень витаминов, таких как витамин С, остается без изменения, и другие физико-химические свойства, отвечающие за вкус, запах, цвет и оптические характеристики жидкостей, остаются без изменения при стерилизации в соответствии с настоящим изобретением.

Следует полагать, что действие стерилизации в соответствии с настоящим изобретением, основано на следующих физических эффектах.

Структура липидных молекул, формирующих мембрану, окружающую микроорганизмы, аналогична структуре ассоциаций молекул воды, называемых "кластерами", которые присутствуют во всех водных средах. Взаимодействие так называемых структур "кластеров" с липидными молекулами определяется водородными связями. Можно модифицировать эти структуры при помещении их в электрическое поле. Когда поле будет иметь достаточно высокую напряженность, оно создает совпадение топологии структур, что приводит к местному ослаблению связей между липидными молекулами, в результате которого происходит разрыв мембраны микроорганизмов. Этот принцип представляет собой так называемый эффект "электропорации". При достаточно высокой напряженности электрического поля такой разрыв мембран становится необратимым, что приводит к разрушению микроорганизмов. Однако величина электрического поля должна ограничиваться следующими двумя пределами: верхний предел определяется возникновением микродуг в жидкости, то есть формированием зон плазмы, которые не только разрушают микроорганизмы, но и модифицируют физико-химические свойства жидкости; и нижний предел определяется величиной электрического поля, которое недостаточно для необратимого разрыва мембраны микроорганизма.

Важный аспект настоящего изобретения состоит в том, что нижний предел напряженности поля может составлять порядка 10² В/см, если температура жидкости превышает пороговую температуру T_s (которая находится в диапазоне от приблизительно от 60°С до 75°С), в отсутствие акустической вибрации. Авторы настоящего изобретения полагают, что при такой температуре происходит эффект резонанса между "кластерами" воды и липидами мембра, так, что энергия, требуемая для местного ослабления связи между липидными молекулами, может быть относительно низкой, благодаря тому факту, что она поглощается резонансными молекулами вместо ее рассеивания.

Как показано в приведенной ниже таблице, было определено, что пороговая температура T_s, при которой происходит эффективная стерилизация, зависит от микроорганизмов, но находится в диапазоне температур от 62° до 75°С для электрических полей напряженностью приблизительно 10²-10³ В/см и в отсутствие акустической вибрации.

Следует отметить, что длительность приложения электрического поля и температуры, требуемых для стерилизации, может быть меньше, чем одна секунда, что чрезвычайно предпочтительно по сравнению с обычными способами, такими, как пастеризация. Можно также отметить, что существует корреляция между уровнем температуры жидкости, длительностью работы и прикладываемым электрическим полем.

Также было определено, что стерилизация может проводиться при температуре, меньшей, чем пороговая температура T_s, если в ходе обработки дополнительно подавать акустическую вибрацию, в частности, ультразвуковую вибрацию. Эксперименты, выполнявшиеся в рамках настоящего изобретения, продемонстрировали, что воздействие ультразвука усиливает уничтожение микроорганизмов, что позволяет снизить температуру проведения обработки, причем снижение температуры ΔТ_U составляет приблизительно 10-30°С. Акустическая вибрация добавляет волновые движения к случайным движениям молекул жидкости, возникающим из-за тепловой энергии, так, что уменьшается уровень местного приложения энергии, требуемой для ослабления связи между липидными молекулами.

Разрушение микроорганизма с использованием электрического поля в способе, в соответствии с настоящим изобретением, требует приложения энергии Δ. В случае, когда способ в соответствии с настоящим изобретением прикладывается к потоку Ф_L жидкого продукта, необходимая мощность N будет определяться формулой

N=N_a+N_T,

где N_a - мощность, подводимая для соответствующего разрушения микроорганизмов, и

N_T - мощность, подводимая для нагрева продукта от исходной температуры Т₀ до пороговой температуры T_s.

Значение N_a удовлетворяет следующему уравнению:

N_a=Ф_L·Х·Δ,

где Ф_L - поток обрабатываемого продукта и Х представляет концентрацию микроорганизмов на единицу потока.

N_T удовлетворяет следующему уравнению:

N_T=ф_L+C(T_s-T₀)

где С представляет среднюю удельную теплоемкость продукта.

В случае, когда способ, в соответствии с настоящим изобретением, применяется для потока герметично закрытых контейнеров, заполненных продуктом, предназначенным для пастеризации, используется следующее уравнение:

N=N_a+N_Т,

где N_a=V·X·N

и

N_T =CV(T_s-T₀)·ν,

где ν представляет частоту, с которой контейнеры проходят через область обработки электрическим полем,

V представляет объем контейнера,

С представляет среднее удельное значение теплоемкости всего предмета (контейнера и жидкости).

Эксперименты показали, что для концентрации микроорганизмов (дрожжей и плесени), составляющей меньше 10¹⁵ микроорганизмов на кубический метр, оптимальное значение Х·Δ составляет:

0,1≤Х· Δ≤0,6 (Дж/см³)

Благодаря тому, что способ в соответствии с настоящим изобретением основан на совпадении топографии двух структур, получаемом путем регулировки прикладываемого электрического поля и уровня температуры, можно ожидать проявления избирательного эффекта, т.е., воздействия только на тела, структуры которых совпадают, а именно микроорганизмов и кластеров. В соответствии с этим не будет происходить разрушения или изменения других свойств жидкости или молекул, присутствующих в ней. После обработки содержание витаминов (например, витамина С) остается неизменным; при этом физико-химические свойства, которые определяют вкус, запах, цвет, оптические и другие характеристики, не будут изменяться при обработке.

Однако при использовании заявленного способа можно обеспечить дезактивацию ферментов (содержащихся в некоторых жидкостях, например в апельсиновом соке), структура которых аналогична структуре кластеров воды.

В этом случае на практике было показано, что, например, для свежевыжатого апельсинового сока T_s>70°С и ψ≤2,5 (Дж/см³), где ψ представляет плотность энергии, необходимой для дезактивации ферментов.

В общем, испытания, проведенные с целью дезинфекции различных водных растворов (фруктовых соков или овощных соков, лимонадов, молока и молочных продуктов, сиропов, пива, концентратов, бодрящих напитков, паст, пюре, соусов и других) показали, что, например, обработка под действием электрического поля с напряженностью приблизительно 10³ В/см при температуре 60°С до 75°С в течение 0,3 секунды позволяет в 10⁹ раз уменьшить концентрацию плесневых грибков (Aspergillus niger, Byssochlamys nivea, Byssochlamys fulva) и дрожжевых клеток (Saccharomyces cerevisiae), находящихся как в объеме обрабатываемой жидкости, так и на стенках твердых объектов (кусочков материала ПЭТ, фруктовой и овощной мякоти). Способ может использоваться в стационарных условиях или в условиях динамичного потока.

Стерилизация жидкости была подтверждена для значений напряженности прикладываемого электрического поля в диапазоне от 10² В/см до 10⁴ В/см, для случаев приложения постоянного электрического напряжения или низкочастотного или высокочастотного переменного напряжения или СВЧ-излучения.

Дезинфицированные таким образом образцы выдерживали в течение более трех месяцев при комнатной температуре. При этом не наблюдалась какая-либо реверсия, т.е. восстановление активности уничтоженных микроорганизмов. В соответствии с этим можно говорить о необратимом уничтожении микроорганизмов.

Преимущества настоящего изобретения являются существенными, поскольку позволяют стерилизовать жидкости, уже разлитые в закрытые герметичные контейнеры, без необходимости предварительной обработки для стерилизации контейнера или жидкости. Кроме того, по сравнению с обычными способами пастеризации стерилизация, в соответствии с настоящим изобретением, является чрезвычайно быстрой и позволяет сохранять физико-химические свойства жидкости и, следовательно, устраняет необходимость добавления витаминов, что обычно используется в пищевой промышленности. Преимущества настоящего изобретения также существенны, когда жидкость не содержится в контейнерах, например, в случае непрерывного потока жидкости, в частности, благодаря тому, что стерилизация может осуществляться без вмешательства в поток жидкости, проходящий с большой скоростью.

Другое важное преимущество состоит в том, что стерилизация может применяться к жидкостям, находящимся в контейнерах, таким как ПЭТ контейнеры, которые не позволяют использовать высокие температуры для пастеризации.

Например, проводили сравнение двух способов дезинфекции бутылки ПЭТ, заполненной одним литром немного подслащенной воды или яблочным соком, загрязненным плесенью "Byssochlamys fulva" с концентрацией 10⁹ микроорганизмов на литр (бутылку). Бутылка после ее заполнения была герметично закрыта с помощью полипропиленовой пробки. Пробка и внутренняя поверхность бутылки перед заполнением были загрязнены микроорганизмами с концентрацией 10⁶ микроорганизмов/см². Уничтожение микроорганизмов в пропорции порядка 10⁹ микроорганизмов/литр способом пастеризации потребовало нагрева до температуры 98°С в течение одной минуты. В способе, в соответствии с настоящим изобретением, стерилизация осуществлялась путем нагрева с помощью токов высокой частоты при приложении электрического поля напряженностью приблизительно 10³ В/см в течение 0,3 секунды при температуре жидкости 72°С, что привело к уничтожению микроорганизмов в пропорции порядка 10⁹ микроорганизмов/литр.

Мощность, которую требуется подводить для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, можно вычислить с использованием приведенных выше формул, что иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1:

Обрабатываемый продукт: яблочный сок

Исходная температура: Т₀=20°С

Уничтожаемые микроорганизмы: Saccharomyces cerevisiae и Aspergillus niger

Пороговая температура: T_s=65°C

Производительность оборудования 1 л/с

Тип потока: непрерывный

Концентрация микроорганизмов: 10⁹ микроорганизмов/литр (мо/л)

Средняя теплоемкость: 4,2·10⁶ (Дж/м³·градус)

Na_max=10^-3 (м³/с)·0,6·10³ (кДж/м³)=0,6 кВт

N_T=10^-3 (м³/с)·(65-20) градусов· 4,2·10⁶ (Дж/м³·градус)=189 кВт

N_max=Na_max+N_T=189,6 кВт

Пример 2:

Использовали те же условия, что и в примере 1, за исключением того, что начальная температура была: Т₀=60°С.

N_T=10^-3 (м³/с)·(65-60) градусов·4,2·10⁶·(Дж/м³·градус)=21 кВт

Na_max=0,6 кВт

N_max=21+0,6=21,6 кВт

Пример 3:

Обрабатываемый продукт: бутылки из ПЭТ (0,3 л), содержащие апельсиновый сок с мякотью.

Исходная температура: Т₀=20°С

Уничтожаемые микроорганизмы: Byssochlamys fulva

Пороговая температура: T_s=75°С

Производительность оборудования: 3 бутылки/с

Концентрация микроорганизмов: 10 мо/л

Средняя теплоемкость: 4,5·10⁶·(Дж/м³·градус)

Na_max=0,9·10^-3 (м³/с)·0,6·10³ (кДж/м³·градус)=0,54 кВт

N_T=0,9·10^-3 (м³/с)·(75-20) градусов·4, 5·10⁶·(Дж/м³·градус)=222,75 кВт

N_max=223,29 кВт

Пример 4:

То же, что и в примере 3, но с восстановлением 95% тепла (с использованием теплообменника)

N_T=222,75·(1-0,95)=11,15 кВт

N_max=11,69 кВт

Способ, в соответствии с настоящим изобретением, оценивали для различных типов микроорганизмов и при различных температурах для определения пороговой температуры, необходимой для эффективной стерилизации. Результаты приведены в следующих примерах.

Пример 5:

Дезинфекция водных растворов, зараженных различными типами микроорганизмов.

Контейнер: ПЭТ контейнер емкостью 0,1 литра, заранее стерилизованный.

Высота: 1,5 см

Диаметр: 10 см

Источник тока: ВЧ 13,56 МГц,

N_max=60 кВТ

Продолжительность обработки: τ=0,3 сек

Величина напряженности электрического поля: 10³ В/см

Исходный уровень загрязнения: от 7·10⁸ до 1,2·10⁹ мо/100 мл

Способ подсчета выживших микроорганизмов (мо) представлял собой обычный способ подсчета, используемый в микробиологии.

Из приведенных выше результатов понятно, что стерилизация жидкости была полной (уменьшение концентрации мо с логарифмическим коэффициентом 9) при температурах от 65 до 75°С, в зависимости от типа микроорганизма.

Пример 6:

Дезинфекция контейнеров, зараженных различными типами микроорганизмов

Контейнер: ПЭТ контейнер емкостью 0,1 литр, герметично закрытый

Жидкость: сок черной смородины, предварительно стерилизованный

Источник тока: ВЧ 13,56 МГц,

N_max=60 кВт

Длительность обработки: τ=0,3 секунды

Величина напряженности электрического поля: ˜3 кВ/см

Исходный уровень загрязнения: 1,2·10⁶-3·10⁶ мо/см²

Количество импульсов: 2 (в двух положениях контейнера) Приведенные ниже значения представляют собой результат сложения

a) подсчета количества микроорганизмов, выживших в жидкости, и

b) подсчета количества микроорганизмов, выживших на поверхности контейнера и пробки

Можно видеть, что полная стерилизация поверхности контейнера (уменьшение ˜ на 9 логарифмических единиц) происходит при температурах от 65 до 75°С, в зависимости от типа микроорганизмов.

Пример 7:

Дезинфекция мякоти в апельсиновом соке

Контейнер: ПЭТ контейнер емкостью 0,1 литра

Жидкость: апельсиновый сок с мякотью

Источник тока: СВЧ-излучение, 915 МГц,

N_max=60 кВт

Длительность обработки: τ=0,5 секунды

Величина напряженности электрического поля: ˜10 В/см

Исходный уровень заражения: 6·10⁷ мо/100 мл

Значения в приведенной ниже таблице представляют собой результат подсчета выживших микроорганизмов в жидкости с мякотью.

Стерилизация апельсинового сока и мякоти была полной (уменьшение ˜ на 8 логарифмических единиц) при температуре 65°С.

Пример 8:

Сравнение предложенного способа с обычной пастеризацией (Byssochlamys fulva)

Условия предлагаемого способа:

Контейнер: ПЭТ контейнер емкостью 0,1 литра

Жидкость: яблочный сок, зараженный Byssochlamys fulva

Источник тока: ВЧ 13,56 МГц,

N_max=60 кВт

Продолжительность обработки: τ=0,3 секунды.

Величина напряженности электрического поля: ˜10 В/см

Исходный уровень загрязнения: 7,5·10⁸ мо/100 мл

Условия пастеризации: обычные

Продолжительность обработки: 60 секунд.

Способ подсчета: подсчет микроорганизмов, выживших в жидкости

Стерилизация с помощью способа в соответствии с настоящим изобретением, позволяет на несколько порядков снизить температуру или уменьшить длительность ее приложения по сравнению со стандартными способами пастеризации. Этот результат приведен в следующей таблице:

Пример 9:

Влияние величины напряженности приложенной электромагнитной энергии, исходной температуры и конечной температуры на эффективность заявленного способа (случай микроорганизмов Saccharomyces cerevisiae).

Среда: Вода+0,5 г/л NaCl

(удельный вес: 1 г/см³; теплоемкость с=4,18 Дж/г·°С)

Микроорганизмы: Saccharomyces cerevisiae

Исходная концентрация: (1,4-5,1)·10⁸ мо/100 мл

Источник тока: ВЧ 13,56 МГц

Объем обрабатываемой ячейки: 100 мл

Результаты определения:

Энергия, которая должна быть передана в жидкость для достижения критического резонансного состояния, которое соответствует пороговому значению для полной стерилизации, поступает в жидкость по двум каналам:

1. нагрев жидкости (который условно можно считать омическим нагревом, и т.д.);

2. неомическое воздействие электромагнитного поля, которое создает резонансный эффект.

Пороговая плотность энергии Es электромагнитного поля удовлетворяет соотношению 12,0

Очевидно, что пороговая температура T_s для дезинфекции с приложением электрического или электромагнитного поля находится приблизительно на уровне 65°С для дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae.

Пример 10:

Влияние величины напряженности приложенной электромагнитной энергии, исходной температуры и конечной температуры на эффективность заявленного способа (в случае микроорганизмов Byssochlamys fulva).

Среда: вода +0,5 г/л NaCl

Р=1 г/см³; с=4,18 Дж/г·°С

Микроорганизмы: Byssochlamys fulva

Исходная концентрация: (1,7-4,5)·10⁸ мо/100 мл

Источник тока HF 13,56 МГц

Объем обрабатываемой ячейки: 100 мл

Результаты определений:

Очевидно, что существует пороговая температура дезинфекции T_s при приложении электрического или магнитного поля, которая близка к значению 75°С для плесневых грибков Byssochlamys fulva.

Плотность порогового значения энергии Es электромагнитного поля в случае микроорганизмов Byssochlamys fulva удовлетворяет соотношению:

Es<34,3 Дж/г.

Пример 11:

Влияние ρс (ρ - удельная плотность жидкости, и с - теплоемкость жидкости) на эффективность заявленного способа (параметр ρс характеризует тепловую инерцию жидкости)

Исходная среда: вода + 0,5 г/л NaCL (с₀=4,19 Дж/г·°С; ρ₀=1 г/см³)

Испытательная среда:

1) тепловая инерция понижена по отношению к исходной (ρ_ic_i): различные растворы концентрата апельсинового сока в воде

2) тепловая инерция повышена по отношению к исходной: различные водные растворы бананового пюре

Микроорганизмы: Saccharomyces cerevisiae

Исходная концентрация (0,1 до 5)·10⁸ мо/100 мл

Источник тока: ВЧ 13,56 МГц

Объем испытательной ячейки: 100 мл

Пример 12:

Стерилизация непрерывного потока яблочного сока, зараженного дрожжами типа Saccharomyces cerevisiae, с применением акустической вибрации (ультразвука) во время обработки.

Поток обрабатываемой жидкости: 1 литр/мин

Источник тока: ВЧ 2,45 ГГц, мощностью 1,5 кВт

Продолжительность обработки: τ=1 секунда.

Исходный уровень концентрации дрожжей: 1·10⁶ CFU/см³ (CFU - единицы, формирующие колонии)

Частота прикладываемого ультразвука: 22 КГц, мощность 0,6 кВт

Исходная температура: 20°С

Приведенные ниже значения представляют суммарное значение подсчета выживших микроорганизмов в жидкости после обработки с применением ультразвука по сравнению с обработкой без применения ультразвука.

Пример 13:

Стерилизация непрерывного потока сока черной смородины, зараженного плесневыми грибками типа Byssochlamys nivea, с применением акустических вибраций (ультразвука) во время обработки.

Поток обрабатываемой жидкости: 2 литра/мин

Источник тока: ВЧ 13,56 МГц, мощность=1 кВт

Продолжительность обработки: τ=0,7 секунды

Исходный уровень концентрации плесени: 7,5·10⁷ CFU/см³

Частота прикладываемого ультразвука: 40 кГц, мощность 0,4 кВт

Исходная температура: 20°С

Значения, приведенные ниже, представляют суммарное значение подсчета выживших микроорганизмов в жидкости после обработки с применением ультразвука, по сравнению с обработкой без применения ультразвука.

На основании этих результатов можно сделать следующие выводы:

• Критическая температура стерилизации под действием электрического поля повышается при уменьшении тепловой инерции среды и, наоборот, уменьшается при повышении тепловой инерции среды.

• Дополнительное использование акустической вибрации при обработке стерилизацией, в соответствии с настоящим изобретением, усиливает разрушительный эффект на микроорганизмы и позволяет снизить температуру, при которой осуществляется обработка.

• Выполненные эксперименты позволяют создать способ управления температурой стерилизации обрабатываемой жидкости с помощью электромагнитного поля, в котором к жидкости добавлены добавки для того, чтобы повысить или уменьшить критическую температуру стерилизации жидкости, обрабатываемой электромагнитным полем, и построить соответствующее устройство.

• В частности, можно повышать или уменьшать тепловую инерцию обрабатываемой жидкости с помощью теплообменника, который охлаждает обрабатываемую жидкость в области приложения электромагнитного поля.

• Для сохранения максимального количества витаминов в обрабатываемом напитке целесообразно осуществлять электромагнитную стерилизацию среды с наибольшим возможным значением коэффициента тепловой инерции. Например, критическая температура апельсинового сока уменьшается при добавлении мякоти. Эта мякоть может быть отфильтрована после электромагнитной обработки.

Также можно использовать добавки в виде суспензии с высокой тепловой инерцией (шарики, содержащие жидкость, которая при критической температуре переходит из одной фазы в другую).

Реферат

Изобретение относится к способу стерилизации жидкости, а также поверхностей, находящихся в контакте с ней. Способ предусматривает нагрев жидкости до температуры, которая ниже температуры, требуемой для стерилизации путем пастеризации наложения электрического поля с напряженностью приблизительно 10²В/см или выше, во время которого жидкость или твердый объект подвергают акустической вибрации. Способ осуществляют с помощью устройства, которое содержит систему для перемещения жидкого продукта и пункт стерилизации, установленный по длине указанной системы. Пункт стерилизации включает источник электроэнергии, который формирует в жидкости, проходящей через пункт стерилизации, электрическое поле напряженностью от 10²В/см до 10⁴В/см и ультразвуковой генератор. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 12 ил, 11 табл.

Формула