Способ обеззараживания сыпучих материалов и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2751113:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный экономический университет" (УрГЭУ) (RU)
Изобретение относится к пищевой промышленности, а также может использоваться в сельском хозяйстве, химической и фармацевтической отраслях промышленности для обработки и обеззараживания озоном сухосыпучих материалов - муки, комбикормовых смесей, специй, порошковых смесей. Устройство включает коническую рабочую камеру, снабженную патрубком для ввода снизу озоно-воздушной смеси, компрессор для подачи воздуха в патрубок, озонатор для ввода озона в воздушный поток, выполненный с возможностью регулирования концентрации озона в озоно-воздушной смеси. На патрубок для ввода озоно-воздушной смеси в коническую рабочую камеру установлена с возможностью замены шайба с отверстием. Отношение диаметра широкой части конуса рабочей камеры к диаметру отверстия в узкой части рабочей камеры, выполнено с условиемгде dш - диаметр широкой части конуса рабочей камеры, dyз - диаметр отверстия в узкой части рабочей камеры, υуз - скорость воздушного потока в узком сечении конуса рабочей камеры, равная скорости витания крупных частиц материала, υш - скорость воздушного потока в широком сечении конуса рабочей камеры, равная скорости витания мелких частиц материала. Согласно способу, озоно-воздушную смесь подают в фонтанирующий поток сыпучих материалов с регулируемой скоростью, причем озон и воздух вводят независимо друг от друга, с возможностью регулирования концентрации озона в озоно-воздушной смеси. Группа изобретений обеспечивает процесс обеззараживания озоном сыпучих материалов. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр., 1 ил.
Изобретение относится к пищевой промышленности, а также может использоваться в сельском хозяйстве, химической и фармацевтической отраслях промышленности для обработки и обеззараживания озоном сухосыпучих материалов - муки, комбикормовых смесей, специй, порошковых смесей.
Известно устройство для микробиологической дезинфекции материала при его транспортировании, содержащее воздуходувную машину, транспортный трубопровод, загрузочное и разгрузочное устройства и снабженное генератором озона, озонопроводом, а также электромагнитными запорными клапанами и эжекторами [1].
Недостатком вышеупомянутого устройства является кратковременный контакт фаз «газ - твердое тело» без возможности регулирования времени процесса обработки озоном.
Известна установка для обработки озоном зерна и помещений, включающая размещение перфорированной трубы перед обработкой массы зерна и семян, находящихся в замкнутом объеме или помещении, создание озоногазовой смеси, продувание озоногазовой смесью через перфорированную трубу массы зерна, семян или объема помещения, отбор после продувания вторичной озоногазовой смеси для повторного использования [2].
Недостатком предложенной конструкции является неравномерность обработки озоновоздушной смесью по всему объему насыпного материала, невысокая эффективность контакта фаз «газ - твердое тело» и повышенная металлоемкость.
Известно устройство для озонирования сухосыпучих материалов, состоящее из контактной камеры с детектором остаточного озона, компрессора, озонатора и деструктора озона. Камера снабжена решетчатыми ячейками, в которые помещаются пробы исследуемого продукта в мешочках, обеспечивающих проход озоно-воздушной смеси и препятствующих просыпанию пробы [3].
Недостатком устройства является значительные потери озона из-за низкого контакта фаз «газ - твердое тело», неудобство загрузки и разгрузки сыпучего материала.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является электротехнологическая озонаторная установка для обеззараживания кормовых смесей [4]. Смесительная камера установки состоит из вертикальной колонки, внутри которой расположена труба, на внешней поверхности которой по винтовой линии расположены лопатки под углом 45°С, по которым ссыпаются кормовые смеси. В качестве источника озона использовался озонатор ОС-10 коронного разряда с производительностью по озону до 10 г/ч. Подача озоно-воздушной смеси осуществляется в нижнюю часть колонки и направляется навстречу скатывающемуся зернистому материалу.
Недостатками вышеупомянутой конструкции является различия концентраций озоно-воздушной смеси по высоте колонки, что влечет неравномерную обработку сыпучей смеси. Отсутствие возможности регулирования скорости подачи озоно-воздушной смеси из-за появления уноса легких частиц из камеры аппарата, т.е. времени фактического контакта озона с материалом. Изменение концентрации озона возможно только электрическим путем, что ведет к удорожанию конструкции.
Изобретение направлено на исключение указанных недостатков прототипа, на проведение процесса активного взаимодействия озоно-воздушных смесей и твердой фазы за счет бурного омывания последних в фонтанирующих потоках, что обеспечивает более эффективный процесс обеззараживания сыпучих материалов, на возможность работы с полидисперсными сыпучими материалами, отличающимися по физическим свойствам (размеры, формы, плотности и т.д.) за счет регулирования скорости подачи озоно-воздушного потока, на независимую друг от друга подачу озона и воздушного потока, позволяющую регулировать концентрацию озоно-воздушной смеси, в частности необходимую минимальную концентрацию озона, что упрощает конструкцию, исключает использование удорожающих систем регулирования и автоматизации процесса обеззараживания, на возможность выбор необходимой продолжительности процесса обеззараживания сыпучих материалов.
Это достигается тем, что озоно-воздушную смесь подают в фонтанирующий поток сыпучих материалов с регулируемой скоростью, причем озон и воздух вводят независимо друг от друга, с возможностью регулирования концентрации озона в озоно-воздушной смеси. Аппарат для обеззараживания сыпучих материалов включает коническую рабочую камеру, снабженную патрубком для ввода снизу озоно-воздушной смеси, компрессор для подачи воздуха в патрубок, озонатор для ввода озона в воздушный поток, выполненный с возможностью регулирования концентрации озона в озоно-воздушной смеси. На патрубок для ввода озоно-воздушной смеси в коническую рабочую камеру установлена с возможностью замены шайба с отверстием. Отношение диаметра широкой части конуса рабочей камеры к диаметру отверстия в узкой части рабочей камеры, выполнено с условием
где dш - диаметр широкой части конуса рабочей камеры,
dyз - диаметр отверстия в узкой части рабочей камеры,
υуз - скорость воздушного потока в узком сечении конуса рабочей камеры, равная скорости витания крупных частиц материала,
υш - скорость воздушного потока в широком сечении конуса рабочей камеры, равная скорости витания мелких частиц материала. Критические скорости витания частиц сыпучего материала применительно к процессу псевдоожижения определяют по полуэмпирической зависимости Аэрова-Тодеса: 
где 
- критерий Архимеда;
ν - коэффициент кинематической вязкости воздушной смеси;
d - размер частиц сыпучего материала;
ρч - плотность частиц сыпучего материала;
ρ - плотность воздушной смеси;
g - ускорение свободного падения.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ обеззараживания сыпучих материалов и устройство для его осуществления в заявленной совокупности признаков. Пример осуществления способа
На фиг. 1 схематически изображен заявляемый аппарат (в продольном вертикальном разрезе), где реализуется предлагаемый способ.
Предлагаемый способ осуществляют на стеклянном аппарате с кипящим слоем, изображенном на фиг. 1, в котором проводят обеззараживание озоно-воздушной смесью сыпучих материалов фонтанирующими потоками. Для этого, в качестве сухосыпучего материала использовали дефектную хлебопекарную пшеничную муку высшего сорта. Ожижающим агентом был воздух комнатной температуры, прокачиваемый через аппарат.
Предлагаемое устройство (аппарат) (фиг. 1) представляет собой рабочую камеру 1 конической формы и снабжен сменными шайбами 2 на патрубке 3 для ввода снизу озоно-воздушной смеси. Каждая из шайб имеет отверстие определенного диаметра (определяется расчетом), что вместе с конусностью аппарата, позволяет работать с частицами значительно отличающимися по размерам и плотности без выноса мелких частиц вверх и с "витанием" самых крупных кусков внизу (что имеет место, в частности, в примере использования аппарата). Озонатор 4 предназначен для подачи озона через патрубок 5 в воздушный поток патрубка 3, соединенный с днищем аппарата. Регулировкой подачи воздуха компрессором 6 обеспечивают получение озоно-воздушной смеси и образование фонтанирующих потоков, которые обеспечивают оптимальный контакт озоно-воздушной и твердой фазы.
Устройство (аппарат) работает следующим образом. К патрубку 4 герметично подсоединяют озонатор 4, затем в патрубок 3 подают от компрессора воздух, который и включают озонатор. В турбулентный воздушный поток поступает озон и в корпус 1 аппарата направляется озоно-воздушная смесь в виде фонтанирующих потоков. Правильный подбор скоростей этих потоков (в зависимости от свойств частиц) обеспечивают установкой сменных шайб 2 с необходимым диаметром отверстия (диаметр в узкой части) и размером рабочей камеры 1 (диаметр широкой части). Этим исключают вынос из аппарата самых мелких частиц (в примере 10 мкм) при еще бурном "витании" самых крупных из них (в примере 100 мкм).
Скорость витания мелких частиц хлебопекарной муки (d=10 мкм) в широком сечении аппарата определяют согласно уравнению (2).
Критерий Архимеда вычисляют следующим образом:
Скорость витания частиц продукта в широкой части аппарата определяют как:
Аналогично находят скорость витания крупных частиц хлебопекарной муки (d=100 мкм) в узком сечении аппарата.
Критерий Архимеда определяют, как:
Скорость витания частиц продукта в узкой части аппарата вычисляют согласно уравнению (2):
В результате расчета по уравнению (1) соотношение размеров широкой части конуса и узкой части аппарата при озонировании хлебопекарной муки (в примере) составляет:
Процесс обеззараживания частиц муки за счет фонтанирующих потоков интенсивен и скоротечен, он сопровождается бурной обработкой потоками озона, омывающими частицы со всех сторон. Это выгодно отличает данный способ и аппарат от аналогов и прототипа. После обеззараживания всей порции сыпучих материалов компрессор и озонатор отключают, нижнюю горловину рабочей камеры 1 перекрывают затвором с заслонкой (не показана) и порция готового обработанного продукта самотеком ссыпается из рабочей камеры.
Результаты микробиологических показателей испытательного аппарата приведены в табл. 1. 
ГОСТ 26972-86 «Зерно, крупа, мука, толокно для продуктов питания. Методы микробиологического анализа и исследований»: КМАФАнМ - не более 5⋅103 КОЕ/г, спор грибов и дрожжей - не более 200 КОЕ/г,
Результаты органолептической оценки параметров показали, что цвет, запах и вкус муки соответствуют ГОСТ Р 52189-2003 «Мука пшеничная. Технические условия». Влажность, кислотность и клейковина не превышают допустимые значения согласно ГОСТ Р 52189-2003 «Мука пшеничная. Технические условия».
Как видно из табл. 1 рекомендуемый режим озонирования муки составляет не менее 2 минут при установленной концентрация озона 1,1 мг/м3, которая была в опытах.
Использование предлагаемого способа и устройства обеззараживания озоном сыпучих материалов в аппарате с псевдоожиженным слоем фонтанирующими потоками дает по сравнению с известными следующие преимущества:
1. Активное взаимодействие озоно-воздушной смеси и твердой фазы за счет бурного омывания последних в фонтанирующих потоках. Это обеспечивает более эффективный процесс обеззараживания озоном сыпучих материалов, чем у прототипа. Эффективность обеззараживания может достигать 88%.
2. Возможность работы с полидисперсными сыпучими материалами, отличающимися по физическим свойствам (размеры, формы, плотности и т.д.) за счет регулирования скорости подачи озоно-воздушного потока путем смены шайбы в узком сечении аппарата. Использование такого конструктивного решения позволяет проводить озонирование твердых частиц с размерами в 10-15 раз меньше прототипа.
3. Независимая друг от друга подача озона и воздушного потока позволяет регулировать концентрацию озоно-воздушной смеси, в частности необходимую минимальную концентрацию озона, что упрощает конструкцию, исключает использование удорожающих систем регулирования и автоматизации процесса обеззараживания, что сокращает стоимость установки в 3 раза.
4. Сокращается продолжительность обеззараживания сыпучих материалов, по сравнению с аналогами в 2 раза.
Источники информации
1. Устройство для транспортирования и озонирования сыпучих материалов: пат. на изобретение №2142397 Российская Федерация: МПК B65G 53/00 / Пугин A.M., Фаткулбаянов А.Р.; патентообладатель: ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет». - №2142397; заявл. 21.04.1998, опубл. 10.12.1999, Бюл. №5.
2. Способ и комплекс для обработки зерна, семян и помещений озоном: пат. на изобретение №2315460 Российская Федерация: МПК А01С 1/00 / Алексеев В.Н., Гончаренко Б.И., Закладной Г.А., Карягин Н.В., Лужков Ю.М., Мачихина Л.И., Пуресев Н.И., Соломонов Ю.С., Сорочинский В.Ф.; патентообладатель: Закрытое акционерное общество «Московские озонаторы». - №2315460; заявл. 07.08.2006, опубл. 27.01.2008, Бюл. №3.
3. Казаченко С.Ю. Установка для озонирования сухо сыпучих материалов / С.Ю. Казаченко, Е.Г. Безруких, А.И. Хохлова, Т.В. Ступко, В.В. Матюшев, Л.В. Плеханова // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2009. - №2. - С. 184-189.
4. Смирнов В.В. Электротехнологическая озонаторная установка для обеззараживания кормовых смесей [Текст]: автореф. дис. … канд. техн. наук / Смирнов Александр Анатольевич. - М., 2014. (прототип).
1. Аппарат для обеззараживания сыпучих материалов, характеризующийся тем, что включает коническую рабочую камеру, снабженную патрубком для ввода снизу озоно-воздушной смеси, компрессор для подачи воздуха в патрубок, озонатор для ввода озона в воздушный поток, выполненный с возможностью регулирования концентрации озона в озоно-воздушной смеси, при этом на патрубок для ввода озоно-воздушной смеси в коническую рабочую камеру установлена с возможностью замены шайба с отверстием, а отношение диаметра широкой части конуса рабочей камеры к диаметру отверстия в узкой части рабочей камеры, выполнено с условием
где dш - диаметр широкой части конуса рабочей камеры,
dyз - диаметр отверстия в узкой части рабочей камеры,
υуз - скорость воздушного потока в узком сечении конуса рабочей камеры, равная скорости витания крупных частиц материала,
υш - скорость воздушного потока в широком сечении конуса рабочей камеры, равная скорости витания мелких частиц материала.
2. Способ микробиологического обеззараживания сыпучих материалов аппаратом по п. 1, характеризующийся тем, что озоно-воздушную смесь подают в фонтанирующий поток сыпучих материалов с регулируемой скоростью, причем озон и воздух вводят независимо друг от друга, с возможностью регулирования концентрации озона в озоно-воздушной смеси.
