Устройство для ультрафиолетовой обработки жидкости в потоке
Изобретение относится к обработке жидких сред ультрафиолетовым излучением и может использоваться в пищевой, химической, фармацевтической промышленности и в медицине. Устройство включает корпус проточной цилиндрической камеры с подводящими и отводящими патрубками и крышкой и протяженный источник ультрафиолетового излучения. Стенкой камеры является прозрачный для излучения цилиндрический элемент. Корпус камеры и цилиндрический элемент установлены коаксиально во фланцах и крышке, имеют гарантированный зазор в диаметральной плоскости и секционированы в осевом направлении. Технический результат состоит в повышении эффективности обработки и упрощении технического обслуживания. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для нетепловой обработки жидких сред ультрафиолетовым излучением и может быть использовано в пищевой, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности и в медицине.
Применение ультрафиолетового излучения (УФИ) для целей нетепловой стерилизации, бактерицидной обработки, например, молока, вина пива, соков, проведения фотолиза известно уже около 100 лет. Поскольку УФИ имеет сильное поглощение в средах, а эффективность обработки зависит от дозы поглощенного излучения, то обработку проводят в тонких слоях, при этом оптимизируют параметры излучения (см., например, RU 2263450 С1, Гаврющенко, 10.11.2005). Для возможного уменьшения перегрева и повышения однородности обработки слои жидкости перемешивают. Так, описана обработка биологических жидкостей путем пропускания по последовательно соединенным трубкам, внутри которых установлены турбулизаторы, а источники УФИ размещены снаружи (US 6587172 В1, Gunn et al., 01.07.2003).
Известны способы обработки жидкости в реакторах с неподвижными элементами, в которых используют сужение по типу трубки Вентури, обеспечивающее перемешивание слоев и нейтрализующее проскок необработанных частиц (SU 1806098, Левченко, 30.03.1993), а также эжекционную подачу жидкости (SU 1768520, Веселов, 15.10.1992; DE 3710555, Spranger, 03.11.1988). Известно выполнение стенок проточной камеры с турбулизаторами при коаксиальном размещении УФИ-лампы (US 5785845, Colaiano, 28.07.1998; WO 01137675, Rix et al., 31.05.2001). Известны другие технические решения по организации последовательного пропускания жидкости через зону УФИ с использованием прозрачных перегородок (JP 2004050003, Kaneko et al., 19.02.2004); с лабиринтной системой (DE 19915289, Thielmann, 20.07.2000). Однако вышеописанные методы и устройства промышленного применения не нашли ввиду непригодности для обработки сильнопоглощающих сред типа молока.
Известно устройство для обработки ультрафиолетовым (УФ) излучением жидких сред в тонком слое, преимущественно для пастеризации молока, вина, соков (RU 2055493 С1, Чапурин и др., 10.03.1996). Оно представляет собой цилиндрическую камеру облучения с патрубками подвода и отвода жидкости, внутри которой установлен источник облучения. Однако это устройство не обеспечивает производительности, сравнимой с пастеризаторами. Известно устройство проточного типа для обработки УФИ сильнозамутненных сред (RU 2177452, Костюченко и др., 27.12.2001). Лампы в кварцевых чехлах установлены по внутренней поверхности корпуса. Жидкость подается в пространство, ограниченное лампами и коаксиально установленным цилиндром с завихрителями. Однако в этом устройстве обрабатываются слои толщиной, намного превышающей толщину молочного слоя, с проницаемостью, достаточной для бактерицидной обработки.
Наиболее близким по совокупности признаков является устройство для стерилизации жидкости в тонком слое (SU 1806098, Левченко, 30.03.1993), включающее корпус проточной цилиндрической камеры с подводящими и отводящими патрубками и крышкой, а также установленные коаксиально корпусу прозрачный для излучения цилиндрический элемент и источник ультрафиолетового излучения.
Анализ показывает, что это устройство обеспечивает создание эффективного для облучения гарантированного тонкого слоя сильнопоглощающей УФИ среды лишь в режиме самопроизвольного стекания по стенке кожуха и не предполагает возможности создания принудительного потока среды, способствующего промышленной производительности.
Задачей изобретения является повышение эффективности бактерицидной обработки сильнопоглощающих УФИ сред, в первую очередь молока, упрощение изготовления и технического обслуживания - сборки-разборки и промывки.
Технический результат изобретения - обеспечение гарантированного зазора на всей длине протяженного УФИ источника при эффективном перемешивании среды.
Технический результат обеспечивается тем, что устройство для ультрафиолетовой обработки жидкости в потоке включает корпус проточной цилиндрической камеры с подводящими и отводящими патрубками и крышкой, по меньшей мере один образующий стенку камеры прозрачный для излучения цилиндрический элемент и протяженный источник ультрафиолетового излучения.
Устройство отличается тем, что корпус проточной камеры и цилиндрический элемент выполнены секционированными в осевом направлении с образованием гарантированного зазора в диаметральной плоскости, установлены коаксиально во фланцах и крышке, имеющих кольцевые проточки и уплотнения, при этом во внутренней стенке концевых частей секций корпуса и/или в наружной стенке цилиндрического элемента выполнены коллекторы в виде кольцевых выточек, сообщенные с подводящими и отводящими патрубками.
Устройство может характеризоваться тем, что протяженный источник ультрафиолетового излучения образован совокупностью цилиндрических ламп, размещенных в полости цилиндрического элемента в сквозных отверстиях фланцев и крышки, а внутренняя поверхность корпуса выполнена отражающей ультрафиолетовое излучение.
Устройство может характеризоваться, кроме того, тем, что протяженный источник ультрафиолетового излучения образован совокупностью цилиндрических ламп, размещенных по наружной поверхности корпуса, выполненного прозрачным, а внешняя поверхность цилиндрического элемента выполнена отражающей ультрафиолетовое излучение.
Устройство может характеризоваться и тем, что протяженный источник ультрафиолетового излучения образован совокупностью цилиндрических ламп, размещенных в полости цилиндрического элемента и по наружной поверхности корпуса, выполненного прозрачным для излучения.
Устройство может характеризоваться, кроме того, тем, что гарантированный зазор обеспечивается вставками, установленными вблизи торцов цилиндрического элемента, а также тем, что число секций составляет 2-6, а также тем, что размеры сечения кольцевых выточек выбраны из условия ас3/b2>>h3/L, где а и с - ширина и глубина выточки соответственно, b - расстояние между патрубками в плоскости выточек, a h, L - толщина гарантированного зазора и длина секции.
Устройство может характеризоваться и тем, что подводящие и отводящие патрубки секций соединены трубами для крепления секций между собой и транспортировки обрабатываемой среды.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где на:
фиг.1 представлен вид устройства в разрезе;
фиг.2, 3 - крепление элементов в крышке и фланце соответственно;
фиг.4, 5, 6 - варианты размещения источников УФИ;
фиг.7 - устройство с параллельным соединением секций;
фиг.8 - экспериментальные зависимости пропускания УФИ в молоке и молочном жире.
Известно, что снижение интенсивности излучения в среде, определяющее качество бактерицидной обработки, происходит в результате его поглощения и рассеяния, что при соблюдении ряда условий может быть описано законом Бугера-Ламберта-Бера: i=i0 exp (-yD) (i - величина светового потока после прохождения сквозь среду толщиной D, i0 - исходная величина) и характеризуется коэффициентом экстинкции y=a+b, где а и b коэффициенты поглощения и рассеяния соответственно (Физический энциклопедический словарь, М., Советская энциклопедия, 1984, с.60). Интенсификация излучения для усиления бактерицидного воздействия (т.е. увеличение i0) может усиливать также его деструктивное воздействие на жидкую пищевую среду, например молоко. Сглаживание противоречия можно достигнуть использованием излучения с низким коэффициентом у для конкретной среды. Одним из условий применимости закона Бугера-Ламберта-Бера является условие: yD≤0,1 (П.Райст, Аэрозоли. М., Мир, 1987), что может не соблюдаться для молока даже в весьма тонких слоях. Молоко поступает на переработку как охлажденным, так и при температуре окружающей среды, а в процессе обработки возможны изменения температуры молока, поэтому размеры жировых шариков, окруженных белковой оболочкой, и их концентрация в молоке могут колебаться весьма значительно.
В основе изобретения лежат собственные экспериментальные исследования пропускания УФИ в молоке в диапазоне длин волн 200-350 нм. Измерения проводились при Т=2 и 50°С на приборе "SPECORD UV VIS" фирмы Carl Zeiss Jena в молоке жирностью 0,5-10% и в молочном жире (топленом сливочном масле) в слоях толщиной D=15-95 мкм. На фиг.8 приведены графики спектральной зависимости потока УФИ, нормированного относительно исходного, пропущенного через слой молока с различным процентом жирности (фиг.8, а), через слои различной толщины молока (фиг.8, б) и молочного жира (фиг.8, в). На фиг.8, г показана спектральная зависимость величины (yD) - показателя степени при экспоненте в формуле закона Бугера-Ламберта- Бера для тех же толщин слоя молока, что на фиг.8, б.
Для диапазона УФИ вблизи интересующего бактерицидного пика 254 нм получены следующие результаты.
1. Пропускание и коэффициент экстинкции у в указанном диапазоне вблизи бактерицидного пика 254 нм не зависят от фазового состояния молочного жира: при температурах 2 и 50°С графики пропускания идентичны, в то время как в первом случае жир находится заведомо в твердом состоянии, а во втором - в жидком. Это позволяет задавать одинаковые технологические параметры во всем практически встречающемся диапазоне температуры молока, предназначенного для обработки.
2. Характер зависимости пропускания УФИ молочным жиром и молоком с разным содержанием жира и толщиной слоя от длины волны в области вблизи 254 нм свидетельствует о том, что снижение интенсивности потока УФИ в значительной степени контролируется рассеянием на жировых шариках, поглощением белковыми оболочками шариков и самим молочным жиром. При этом известно, что поглощение УФИ может привести к деструкции хромофоров белковой и липидной природы (см. Ультрафиолетовое излучение. Официальный научный обзор. Всемирная организация здравоохранения. Женева, 1995).
3. В слое молока толщиной 15 мкм происходит снижение интенсивности УФИ почти на порядок, 30 мкм - более чем в 50 раз, однако даже при 95 мкм есть вероятность бактерицидного облучения. Поскольку снижение интенсивности излучения в значительной степени связано с рассеянием на жировых шариках, при облучении молока протяженным источником в гарантированном кольцевом зазоре результирующее облучение на каждом участке будет несколько выше, в том числе в удаленных слоях за счет облучения от областей источника, находящихся под непрямым углом к участку, и многократного отражения от жировых шариков. Отсюда следует, что целесообразно пропустить весь объем обрабатываемого продукта через наиболее бактерицидно эффективную область толщиной порядка 10-50 мкм, примыкающую к прозрачной для излучения стенке камеры со стороны источника, используя вместе с тем рассеянную часть излучения в более удаленных слоях.
Источники УФИ могут находиться как по обе стороны кольцевого слоя, в этом случае задающие его толщину цилиндрические элементы выполнены из прозрачных материалов, так и только по одну из сторон, когда один из цилиндрических элементов выполнен отражающим УФИ (фиг.4-6). Сущность патентуемого технического решения подробно раскрывается на примере конструктивного выполнения устройства с внутренним цилиндром из прозрачного материала и источниками УФИ, расположенными внутри цилиндра.
Устройство (фиг.1, 4) представляет собой проточную цилиндрическую камеру, состоящую из нескольких секций в осевом направлении, каждая из которых содержит корпус 10, выполненный из цилиндрического отрезка трубы 12. Внутренняя стенка 14 трубы 12 выполнена из металла и имеет гладкую поверхность (отполирована). С зазором 16 относительно внутренней стенки 14 коаксиально установлен прозрачный для излучения цилиндрический элемент 18. Он может быть выполнен из кварцевого стекла или другого подходящего материала, имеющего малое поглощение УФИ. Толщина рабочего зазора обеспечивается вставками 20 из фольги, тонкого слоя пластмассы или другого материала, инертного к обрабатываемой среде для обеспечения его гарантированной величины в диаметральной плоскости. Каждая секция камеры установлена во фланцах 22 и крышке 24, имеющих кольцевые проточки 26 и уплотнения 28, показанные схематично. На фиг.2 показана проточка 26 в крышке, которая выполнена односторонней, а на фиг.3 - во фланце, которая выполнена двухсторонней. Основание для крепления корпуса 10 может быть выполнено любым подходящим путем, и ввиду тривиальности его конструкция не приводится.
Во внутренней стенке 14 концевых частей секций трубы 12 выполнены кольцевые выточки 30, образующие коллектор для подачи/сбора обрабатываемой среды 31. Аналогично кольцевые выточки могут быть выполнены также в наружной стенке цилиндрического элемента или в обоих элементах, образующих кольцевой зазор в камере.
В донной части выточек 30 установлены подводящие и отводящие патрубки 32, размещенные равномерно по окружности. Сечение кольцевых выточек выбрано из условия, чтобы падение напора в коллекторах было намного меньшим, чем в зоне гарантированного зазора в рабочей части камеры, которое, как показывают расчеты, надежно выполняется при соблюдении неравенства: ас3/b2>>h3/L, где а и с - ширина и глубина коллектора соответственно, b - расстояние между патрубками в плоскости выточек, а h и L - толщина гарантированного зазора и длина секции. Для варианта при двух патрубках, установленных по диаметру (фиг.1), b=πR; R - радиус внутренней стенки 14 трубы 12.
Бактерицидные цилиндрические лампы 34 с максимумом излучения в диапазоне около 254 нм установлены в сквозных отверстиях 36 фланцев 22 и крышки 24. Их число выбирается исходя из необходимой плотности УФИ в зазоре 16 и скорости потока обрабатываемой среды, которая определяется для данного типоразмера экспериментальным путем.
На фиг.5, 6 показаны варианты выполнения устройства при внешнем расположении источников и двухстороннем их расположении. Труба 121, которая может являться корпусным элементом, выполнена прозрачной для УФИ, а цилиндрический элемент 181 - отражающим УФИ, например, из металла с зеркальной поверхностью. Лампы 34 размещены по периферии трубы 121. При двухстороннем размещении ламп 34 оба элемента 121 и 18 выполнены из прозрачного для УФИ материала.
Выполнение камеры секционированной расширяет возможности устройства, так как дает возможность обеспечить работу в параллельном режиме, когда входы всех секций и, соответственно, выходы соединены между собой, и последовательном, когда выход секции соединен с входом следующей. Случай последовательного соединения показан на фиг.1 - шланги 38 соединяют две секции, при этом в процессе перетока среды 31 она перемешивается. Общее число секций может быть две и более и определяется необходимой степенью обработки, применяемыми лампами УФИ, величиной зазора, скоростью течения жидкой среды. Крепление всех элементов устройства осуществляется посредством стяжек в осевом направлении (не показаны). При разборке и профилактике секции разбирают, освобождая от стяжек, и отделяют трубы 12 вместе с элементами 18, 20, которые разъединяют. Промывку устройства в сборе осуществляют обычным способом путем подачи моющего раствора под давлением. На фиг.7 показана конструкция устройства с параллельным соединением секций. Трубы 40 для транспортировки обрабатываемой среды могут выполнять также функции элементов крепления секций между собой взамен стяжек, для чего содержат соединительные элементы 41.
Устройство работает следующим образом. При подаче обрабатываемой среды 31 под давлением через патрубки 32 в местах входа в коллектор-выточку 30 среда поступает в зазор 16, где обрабатывается УФИ от ламп 34. Обработка проводится в тонком слое протекающей жидкости и его толщина определяется величиной зазора - фиксированной толщиной вставок 20. Для молока толщина зазора составляла 100 мкм. При сливе из патрубков 32 и прохождении по соединительным трубкам 39 происходит усреднение продукта по микробной массе. Дополнительное усреднение происходит благодаря наличию сужений/расширений в местах перехода: выточка 30 - отверстие в патрубке 32. Эти факторы обеспечивают эффективность обработки среды в последующих секциях камеры, связанных шлангами 39. Таким образом, в области наибольшего бактерицидного воздействия, прилегающей к поверхности внутреннего цилиндрического элемента 18, обработке подвергается объем среды, обогащенный микробной массой по сравнению с порцией среды, находившейся в той же позиции на выходе предыдущей секции. В то же время, в удаленной от источника УФИ области, прилегающей к цилиндрическому элементу 18, находится среда, обедненная микробной массой по сравнению с порцией среды, находившейся в той же позиции на выходе предыдущей секции, вносящая максимальный вклад в уровень остаточной микробной массы на выходе аналогичного устройства, но без секционирования. Это особенно важно с учетом того, что во время бактерицидной обработки концентрация микробов изменяется на порядки и даже небольшое количество необработанной среды может резко снизить результирующую эффективность процесса. Сравнивались результаты обработки УФИ с использованием лампы ДБ-15 (длина 451 мм, диаметр 30 мм) для несекционированной и секционированной камер. Несекционированная камера длиной 320 мм выполнена из отрезка трубы 12 из нержавеющей стали с внутренним диаметром 40 мм и кварцевого цилиндра 18 диаметром 39,8 мм, которые образовывали рабочий кольцевой зазор 16 толщиной 100 мкм. Секционированная камера состояла из 4-х секций длиной около 80 мм каждая, соединенных пластмассовыми шлангами. В обоих случаях молоко с исходной концентрацией мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов (МАФАнМ) 1,5·105 КОЕ/г пропускалось сквозь эти камеры под давлением З атм с расходом 18 л/час. Результирующая концентрация после обработки составляла для несекционированной камеры 2,3·104, а для секционированной - 3,25·103 КОЕ/г МАФАнМ.
Патентуемая конструкция устройства, помимо обеспечения более высокого уровня бактерицидной обработки и производительности, позволяет снизить затраты на его изготовление. Выполнение цилиндрических элементов, в том числе оптического качества, с гарантированным зазором между ними (зазор на 3-4 порядка меньше диаметра) значительно усложняется при длинах порядка 1 метра и диаметре более 100 мм, обеспечивающих промышленную производительность, и требует уникального оборудования. Секционирование позволяет производить указанные элементы на стандартном, распространенном оборудовании.
1. Устройство для ультрафиолетовой обработки жидкости в потоке, включающее корпус проточной цилиндрической камеры с подводящими и отводящими патрубками и крышкой, по меньшей мере один образующий стенку камеры прозрачный для излучения цилиндрический элемент и протяженный источник ультрафиолетового излучения, отличающееся тем, что корпус проточной камеры и цилиндрический элемент выполнены секционированными в осевом направлении с образованием гарантированного зазора в диаметральной плоскости, установлены коаксиально во фланцах и крышке, имеющих кольцевые проточки и уплотнения, при этом во внутренней стенке концевых частей секций корпуса и/или в наружной стенке цилиндрического элемента выполнены коллекторы в виде кольцевых выточек, сообщенные с подводящими и отводящими патрубками.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что протяженный источник ультрафиолетового излучения образован совокупностью цилиндрических ламп, размещенных в полости цилиндрического элемента в сквозных отверстиях фланцев и крышки, а внутренняя поверхность корпуса выполнена отражающей ультрафиолетовое излучение.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что протяженный источник ультрафиолетового излучения образован совокупностью цилиндрических ламп, размещенных по наружной поверхности корпуса, выполненного прозрачным, а внешняя поверхность цилиндрического элемента выполнена отражающей ультрафиолетовое излучение.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что протяженный источник ультрафиолетового излучения образован совокупностью цилиндрических ламп, размещенных в полости цилиндрического элемента и по наружной поверхности корпуса, выполненного прозрачным для излучения.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гарантированный зазор обеспечивается вставками, установленными вблизи торцов цилиндрического элемента.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что размеры сечения кольцевых выточек выбраны из условия ас3/b2>>h3/L,
где а и с - ширина и глубина выточки;
b - расстояние между патрубками в плоскости выточек;
h, L - толщина гарантированного зазора и длина секции соответственно.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подводящие и отводящие патрубки секций соединены трубами для крепления секций между собой и транспортировки обрабатываемой среды.
