Ультрафиолетовый реактор для холодной пастеризации жидких пищевых продуктов и применение этого реактора
Группа изобретений относится к пищевой промышленности, в частности к устройствам для холодной пастеризации жидких пищевых продуктов. Ультрафиолетовый реактор содержит: одну или несколько спиральных трубок, проходящих от впускного конца до выпускного конца, один или несколько источников излучения, испускающих излучение с длиной волны в диапазоне 180-300 нм и облучающих одну или несколько спиральных трубок, при этом при этом ультрафиолетовый реактор дополнительно содержит один или несколько фильтров, которые предотвращают достижение излучением с длиной волны более 300 нм одной или нескольких спиральных трубок и ослабляют свет с длиной волны выше 300 нм по меньшей мере с коэффициентом 100 или более. Также описание применение такого устройства для холодной пастеризации и уничтожения микроорганизмов в жидких пищевых продуктах. Изобретения позволяют обеспечить уничтожение микроорганизмов, а также избежать или уменьшить окисление продукта. 3 н. и 42 з.п. ф-лы, 11 ил., 3 пр.
Изобретение относится к фотобиореактору, позволяющему проводить бактерицидную обработку жидкостей с применением УФ излучения спектра С (УФС), главным образом, с длиной волны от 180 нм до 300 нм. Изобретение относится к системе, пригодной для бактерицидной обработки крайне непрозрачных жидкостей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
УФ приборы уже использовали в реакторах для пастеризации жидких пищевых продуктов. Примеры таких приборов можно встретить в US 2002/096648 или в статье Chem. Eng. Technol. 2007, 30, pages 945-950, в которых описан реактор, предназначенный для облучения текучей реакционной среды УФ излучением. Камера облучения соединена со впуском и выпуском, что позволяет реакционной среде протекать через реактор, при этом, подвергаясь УФ облучению.
Другой пример такого УФ прибора для реактора имеется в US 2004/248076, где описано устройство и способ стерилизации жидких сред при помощи УФ излучения и кратковременной тепловой обработки.
Однако, в данной области имеется потребность в оптимизации процесса уничтожения бактерий и вирусов (т.е., пастеризации и стерилизации) в отсутствие или при минимальном окислении жидкого продукта. Окисление жидкого продукта приводит к усилению горького привкуса и неприятного запаха/вкуса пищевого продукта.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретения относится к УФ прибору для реактора холодной пастеризации жидких пищевых продуктов. Так, в первом аспекте изобретение относится к фотобиореактору для холодной пастеризации жидких пищевых продуктов, например, молока, при этом, фотобиореактор содержит:
а. одну или несколько спиральных трубок, проходящих от впускного конца до выпускного конца, образуя жидкостную траекторию, и
b. один или несколько источников излучения, облучающих одну или несколько спиральных трубок, при этом, один или несколько источников излучения испускают излучение с длиной волны в диапазоне 180-300 нм,
при этом фотобиореактор дополнительно содержит один или несколько фильтров, расположенных между одним или несколькими источниками излучения и одной или несколькими спиральными трубками, при этом, один или несколько фильтров предотвращают достижение излучением с длиной волны более 300 нм одной или нескольких спиральных трубок.
Под предотвращением достижения излучением с длиной волны более 300 нм одной или нескольких спиральных трубок понимается, что излучение с длиной волны более 300 нм значительно ослабляется, например, по меньшей мере, с коэффициентом 100 или коэффициентом 1000 или более.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько фильтров предотвращают достижение одной или нескольких спиральных трубок излучением с длиной волны более 270 нм.
Одним из преимуществ использования светового излучения в качестве средства для холодной пастеризации является то, что это очень энергоэффективный способ частичной стерилизации.
Одним из преимуществ использования одного или нескольких фильтров является то, что может быть предотвращено фотоокисление излучением с большей длиной волны. Например, предпочтительно исключить фотоокисление рибофлавина (длина волны около 446 нм), но также предпочтительно исключить фотоокисление и других компонентов жидкого пищевого продукта, из-за которого усиливается горький привкус и ухудшается запах/вкус указанного пищевого продукта. Кроме этого, фильтры могут исключить контакт горячего воздуха с одним или несколькими змеевиками, тем самым, предотвращая нагревание жидкого пищевого продукта.
Жидкостная траектория предназначена для обеспечения большой величины отношения поверхности к объему, т.е., интенсификации воздействия световой энергии на единицу объема при ослаблении эффектов самоэкранирования непрозрачной жидкости, подвергаемой обработке. Таким образом, возможно обрабатывать непрозрачные жидкости с применением светового излучения, если материал, из которого изготовлена жидкостная траектория, прозрачен для светового излучения.
Жидкий пищевой продукт пропускают по одной или нескольким спиральным трубкам с некоторым расходом. В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения расход, измеряемый в миллилитрах в минуту, составляет 800-2000 мл/мин или 900-1100 мл/мин.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения представляют собой бактерицидную лампу низкого давления, такую как ртутная лампа низкого давления.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения функционируют при температуре лампы от 0°С до 120°С.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения функционируют при температуре лампы от 20°С до 60°С.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения функционируют при температуре лампы от 30°С до 50°С.
Вторым аспектом раскрываемого изобретения является применение фотобиореактора, как описано в настоящем документе, для холодной пастеризации жидких пищевых продуктов.
Холодная пастеризация может представлять собой частичную стерилизацию вещества, в частности, жидкости способом, при котором избегают нагревания, как основного средства уничтожения нежелательных организмов, без значительного изменения вещества. Избегать не означает исключать, но только сокращать.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 2-Log10. Биологический загрязнитель может представлять собой, например, бактерии, споры, плесень или вирусы.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 3-Log10.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 4-Log10.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 5-Log10.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 6-Log10.
Третьим аспектом раскрываемого изобретения является применение фотобиореактора, как описано в настоящем документе, для уничтожения в жидких пищевых продуктах микроорганизмов, таких как бактерии, плесень, споры или вирусы.
Под уничтожением понимается сокращение количества активных или живых микроорганизмов. Микроорганизмы, встречающиеся в жидких пищевых продуктах, могут присутствовать в них из-за загрязнения в процессе обработки указанных жидких пищевых продуктов. Обычными бактериальными загрязнителями, например, молочных продуктов могут быть, например, Lactobacillus casei, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Salmonella spp., Mycobacterium avium подвид paratuberculosis (MAP), Staphylococcus aureus или Streptococcus spp.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к фотобиореактору, включающему фильтр, блокирующий УФ излучение с длиной волны более 300 нм, и, кроме этого, к гидравлической конструкции, позволяющей проводить бактерицидную обработку жидкостей с применением УФ излучения спектра С (УФС) с длиной волны в диапазоне от 180 нм до 300 нм.
Изобретение относится к системе, пригодной для бактерицидной обработки крайне непрозрачных жидкостей. Система, соответствующая изобретению, содержит фильтр, который предотвращает достижение излучением с длиной волны вне УФС обрабатываемой жидкости. Фильтр направляет необязательную воздушную струю над одним или несколькими источниками излучения, Таким образом, предотвращается достижение воздушной струей реакционной камеры, в которой происходит обработка жидкого продукта, при этом, поддерживается оптимальная рабочая температура источников излучения. Кроме этого, изобретение относится к гидравлической конструкции, включающей одну или несколько спирально свернутых трубок, которая обеспечивает поперечный поток по действием центробежной силы. Благодаря этому возможна обработка самых непрозрачных жидкостей с применением УФ излучения спектра С.
При описании аспектов изобретения для ясности изложения будет использована особая терминология. Однако, изобретение не подразумевает ограничения особыми, выбранными с этой целью терминами; понятно, что каждый особый термин имеет технические эквиваленты с аналогичной функцией, достигающие аналогичной цели.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, им обеспечивается фотобиореактор для холодной пастеризации жидких пищевых продуктов, например, молока, при этом, фотобиореактор содержит:
а. одну или несколько спиральных трубок, проходящих от впускного конца до выпускного конца, образуя жидкостную траекторию, и
b. один или несколько источников излучения, облучающих одну или несколько спиральных трубок, при этом, один или несколько источников излучения испускают излучение с длиной волны в диапазоне 180-300 нм,
при этом, фотобиореактор дополнительно содержит один или несколько фильтров, расположенных между одним или несколькими источниками излучения и одной или несколькими спиральными трубками, при этом, один или несколько фильтров предотвращают достижение излучением с длиной волны более 300 нм одной или нескольких спиральных трубок.
Пастеризация не ограничивается только частичной стерилизацией вещества, в частности, жидкости при некоторой температуре в течении некоторого времени воздействия, которых достаточно для разрушения нежелательных организмов без значительного химического изменения вещества, но также охватывает холодную пастеризацию, которая представляет собой частичную стерилизацию вещества, в частности, жидкости способом, при котором избегают нагревания, как основного средства уничтожения нежелательных организмов, без значительного изменения вещества. При этом, избегать не означает исключать, но только сокращать. В соответствии с настоящим изобретением, одним из преимуществ использования светового излучения в качестве средства для холодной пастеризации является то, что это очень энергоэффективный способ частичной стерилизации.
Жидкостная траектория предназначена для обеспечения большой величины отношения поверхности к объему, т.е., интенсификации воздействия световой энергии на единицу объема при ослаблении эффектов самоэкранирования непрозрачной жидкости, подвергаемой обработке. Таким образом, возможно обрабатывать непрозрачные жидкости с использованием светового излучения, если материал, из которого изготовлена жидкостная траектория, прозрачен для светового излучения.
В одной или нескольких спиральных трубках, проходящих от впускного конца до выпускного конца и образующих жидкостную траекторию, устанавливается режим потока, когда по жидкостной траектории протекает среда. Режим потока в жидкостной траектории может состоять из одного или нескольких вихревых течений, которые образуют вторичный поток, аксиальный первичному потоку, в котором центробежная сила (например, течение с вихрями Дина) используется для увеличения поверхности жидкости, подвергающейся воздействию УФ излучения, испускаемого источником излучения.
Движение текучей среды по жидкостной траектории может иметь двухвихревую структуру, соответствующую течению с вихрями Дина. Благодаря этому, в жидкостной траектории обеспечивается аксиальный поток, характеризующийся большой величиной отношения поверхности к объему. Таким образом, может быть усилено воздействие световой энергии на единицу объема/площади поверхности при ослаблении эффектов самоэкранирования непрозрачной жидкости, подвергаемой обработке.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения при движении текучей среды по одной или нескольким спиральным трубкам возникает течение с вихрями Дина, ламинарное течение или турбулентное течение.
В соответствии с настоящим изобретением, одним из преимуществ использования течения с вихрями Дина, ламинарного течения или турбулентного течения является то, что таким образом может быть усилено воздействие световой энергии на единицу объема/площади поверхности при ослаблении эффектов самоэкранирования непрозрачной жидкости, подвергаемой обработке, тем самым, затрачено меньше энергии и времени на обработку того же объема.
Между одной или несколькими спиральными трубками и одним или несколькими источниками излучения может располагаться один или несколько фильтров, предназначенных для сужения диапазона длин волн излучения, достигающего одной или нескольких спиральных трубок. Благодаря этому гарантируется оптимальная для уничтожения бактерий и вирусов длина волны, при этом, предотвращается окисление жидкого пищевого продукта (см. фиг. 11).
Под предотвращением достижения излучением с длиной волны более 300 нм одной или нескольких спиральных трубок понимается, что излучение с длиной волны более 300 нм значительно ослабляется, например, по меньшей мере, с коэффициентом 100 или коэффициентом 1000 или более.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько фильтров предотвращают достижение одной или нескольких спиральных трубок излучением с длиной волны более 290 нм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько фильтров предотвращают достижение одной или нескольких спиральных трубок излучением с длиной волны более 280 нм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько фильтров предотвращают достижение одной или нескольких спиральных трубок излучением с длиной волны более 270 нм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько фильтров предотвращают достижение одной или нескольких спиральных трубок излучением с длиной волны более 260 нм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения форма поперечного сечения одной или нескольких спиральных трубок является круглой, шестиугольной, квадратной, треугольной или овальной. Форма поперечного сечения может быть любой, обеспечивающей большую доступную для воздействия наружную площадь жидкого пищевого продукта.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют внутренний диаметр трубки от 1 мм до 10 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют внутренний диаметр трубки от 2 мм до 9 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют внутренний диаметр трубки от 3 мм до 8 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют внутренний диаметр трубки от 4 мм до 7 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют внутренний диаметр трубки от 5 мм до 6 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют внутренний диаметр трубки 5,5 мм.
Величина внутреннего диаметра является компромиссом между количеством жидкого пищевого продукта, которое может быть обработано за данное время, и воздействием световой энергии на единицу объема/площади поверхности. Чем больше внутренний диаметр трубки, тем больше жидкого пищевого продукта может проходить по ней за определенное время, однако, чем больше внутренний диаметр, тем меньше (в сравнении) может быть площадь воздействия.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок характеризуются шагом от 2 до 8 мм, при этом, шаг представляет собой расстояние от центра до центра одной или нескольких спиральных трубок после одного витка спирали одной или нескольких спиральных трубок.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок характеризуются шагом от 3 до 7 мм, при этом, шаг представляет собой расстояние от центра до центра одной или нескольких спиральных трубок после одного витка спирали одной или нескольких спиральных трубок.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок характеризуются шагом от 4 до 7 мм, при этом, шаг представляет собой расстояние от центра до центра одной или нескольких спиральных трубок после одного витка спирали одной или нескольких спиральных трубок.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок характеризуются шагом 6 мм, при этом, шаг представляет собой расстояние от центра до центра одной или нескольких спиральных трубок после одного витка спирали одной или нескольких спиральных трубок.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок характеризуются углом спирали от 1° до 6°, например, от 2° до 5°, например, от 3° до 4°, при этом, угол спирали измеряют между одной или несколькими спиральными трубками и прямым направлением, сопоставимым с направлением от впускного конца к выпускному концу, образующим жидкостную траекторию.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок характеризуются углом спирали от 2° до 5°.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок характеризуются углом спирали от 3° до 4°.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок характеризуются диаметром спирали от 20 до 150 мм, при этом, диаметр спирали представляет собой расстояние от наружного конца до наружного конца одной или нескольких спиральных трубок после половины витка спирали одной или нескольких спиральных трубок. То есть, диаметр спирали является шириной спирали, образуемой одной или несколькими спиральными трубками.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют наружный диаметр трубки от 2 до 8 мм. В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют наружный диаметр трубки от 5 до 6 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют наружный диаметр трубки от 3 до 7 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют наружный диаметр трубки от 4 до 7 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют наружный диаметр трубки от 5 до 6 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют наружный диаметр трубки 6 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют толщину стенки от 0,1 до 0,4 мм. Толщина стенки может быть определена как наружный диаметр трубки минус внутренний диаметр трубки.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют толщину стенки от 0,1 до 0,3 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют толщину стенки от 0,2 до 0,3 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют толщину стенки от 1 до 4 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют толщину стенки от 1 до 3 мм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют толщину стенки от 2 до 3 мм.
Толщину стенки от 0,1 до 4 мм используют, главным образом, когда одна или несколько спиральных трубок изготовлены из полимерного материала, тогда как толщину от 1 до 4 мм используют, главным образом, когда одна или несколько спиральных трубок изготовлены из кварцевого стекла. Однако, толщина одной или нескольких спиральных трубок зависит от коэффициента пропускания излучения одного или нескольких источников излучения. Чем больше коэффициент пропускания, тем более толстыми могут быть изготовлены стенки.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок обвиты вокруг стойки.
Одним из преимуществ использования стойки для намотки вокруг нее одной или нескольких трубок является то, что стойка придает одной или нескольким спиральным трубкам устойчивость, если указанные трубки, например, изготовлены из гибкого материала. Следовательно, стойка может обеспечивать устойчивость спирали. Кроме этого, стойка может иметь другое преимущество, например, способствовать увеличению количества световой энергии, достигающей одной или нескольких спиральных трубок, если, например, изготовлена из отражающего материала.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок обвиты вокруг стойки так, что образуется конусообразный змеевик. Это означает, что начало змеевика уже, чем конец змеевика, или начало змеевика шире, чем конец змеевика. В результате может быть получен пирамидальный змеевик.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок включают только одну спиральную трубку. В другом варианте осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок обвиты вокруг стойки парами, по меньшей мере, из двух трубок.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения стойка изготовлена из отражающего материала.
Отражающий материал может представлять собой, помимо прочего, дихроичный отражающий материал, такой как алюминий, нержавеющая сталь, хром или серебро.
Отражающий материал также может представлять собой частично отражающие материалы, такие как тефлоновые (Teflon) материалы, такие как перфторалкоксиалканы (PFA), политетрафторэтилен (PTFE), фторированный этилен-пропилен (FEP). Отражательная способность материалов зависит от угла распространения излучения относительно материала.
Политетрафторэтилен (PTFE) является синтетическим фторполимером тетрафторэтилена, имеющим множество вариантов применения. Наиболее известной торговой маркой композиций на основе PTFE является Тефлон. PTFE представляет собой фторуглеродное твердое тело, поскольку является высокомолекулярным соединением, полностью состоящим из углерода и фтора. PTFE является гидрофобным: ни вода, не содержащие воду вещества не смачивают PTFE, так как фторуглероды, из-за высокой электроотрицательности фтора, проявляют умеренные лондоновские дисперсионные силы. PTFE характеризуется наименьшим коэффициентом трения среди твердых тел.
Перфторалкоксиалканы (PFA) являются фторполимерами. Это сополимеры тетрафторэтилена (C2F4) и перфторэфиров (C2F3ORf, где Rf означает перфторуглеродную группу, такую как, например, трифторметил (CF3)). Свойства PFA подобны свойствам PTFE. Одно из значительных различий состоит в том, что алкокси-заместители придают полимеру свойства, делающие возможным его обработку в расплавленном состоянии. На молекулярном уровне PFА имеет более короткую цепь и большую степень зацепления между цепями, чем фторполимеры. Он также содержит атом кислорода в боковых цепях. Благодаря этому получаемый материал более светопрозрачный, характеризуется улучшенным сопротивлением течению, сопротивлением ползучести и термостойкостью, сравнимыми или превосходящими аналогичные параметры PTFE.
Фторированный этилен-пропилен (FEP) представляет собой сополимер гексафторпропилена и тетрафторэтилена. Он отличается от PTFE тем, что может быть подвергнут обработке в расплавленном состоянии обычными способами литья под давлением и экструдирования на червячном экструдере. Фторированный этилен-пропилен продается под торговой маркой Teflon FEP. Другими торговыми марками являются Neoflon FEP или Dyneon FEP. По составу FEP очень похож на фторполимеры PTFE и PFA. FEP мягче, чем PTFE, и плавится, примерно, при 260°С. FEP чрезвычайно прозрачен и устойчив к солнечному свету.
FEP и PFA также обладают свойственными PTFE полезными свойствами: низким коэффициентом трения и низкой реакционноспособностью, но легче поддаются формованию.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения стойка изготовлена из отражающего полимерного материала.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения стойка покрыта металлизированной пленкой.
Металлизированные пленки представляют собой полимерные пленки, на которые нанесен тонкий слой металла, такого как, помимо прочего, алюминий. Они имеют глянцевый внешний вид металлической фольги при сниженном весе и меньшей стоимости.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения стойка изготовлена из политетрафторэтилена (PTFE).
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения стойка является одним или несколькими источниками излучения.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют длину в сжатом состоянии от впускного конца до выпускного конца от 100 мм до 400 мм. Длина в сжатом состоянии - это длина одной или нескольких спиральных трубок в той форме, в которой они установлены в фотобиореакторе, без растягивания или сдавливания одной, или нескольких спиральных трубок, то есть, размер от впускного конца до выпускного конца.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок имеют длину в растянутом состоянии/свободную длину от впускного конца до выпускного конца от 5 м до 20 м. Длина в растянутом состоянии/свободная длина - это общая длина одной трубки из одной или нескольких спиральных трубок. Общая длина одной трубки равна общему расстоянию, которое должна пройти единица жидкого пищевого продукта по одной или нескольким спиральным трубкам.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок изготовлены из полимерного материала или кварцевого стекла, прозрачных для УФ излучения. Однако, одна или несколько спиральных трубок могут быть изготовлены из любого материала при условии, что указанный материал более или менее прозрачен для излучения одного или нескольких источников излучения.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок изготовлены из материала, выбранного из фторированного этилен-пропилена (FEP), политетрафторэтилена (PTFE) или перфторалкоксиалканов (PFA). Одна или несколько спиральных трубок могут быть изготовлены из любого материала со свойствами, аналогичными свойствам FEP, PTFE или PFA.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок изготовлены из аморфного фторполимера (AF). Одна или несколько спиральных трубок могут быть изготовлены из любого материала со свойствами, аналогичными свойствам AF.
Аморфный фторполимер (AF) - это семейство аморфных фторпластмасс. Эти материалы подобны другим аморфным полимерам в отношении оптической прозрачности и механических свойств, включая прочность. Эти материалы сравнимы с другими фторпластмассами по параметрам в широком диапазоне температур, высокой химической стойкости и исключительным электрическим свойствам. Полимеры AF отличаются от других фторпластмасс тем, что растворимы в определенных растворителях, обладают высокой газопроницаемостью, высокой прессуемостью, высоким сопротивлением ползучести и низкой теплопроводностью. Полимеры AF характеризуются самой низкой диэлектрической постоянной из известных твердых полимеров. Полимеры AF обладают низким коэффициентом отражения по сравнению со многими известными полимерами.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения впускной конец и выпускной конец спроектированы так, что жидкий пищевой продукт входит и выходит из одной или нескольких спиральных трубок аксиально. Это означает, что жидкость выходит из выпускного конца более или менее аксиально относительно тому, как она вошла во впускной конец.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения впускной конец и выпускной конец спроектированы так, что жидкий пищевой продукт протекает, в целом, вертикально по одной или нескольким спиральным трубкам при взгляде от впускного конца к выпускному концу. Это означает, что жидкий пищевой продукт поступает в одну или несколько спиральных трубок через впуск вертикально, протекает по одной или нескольким спиральным трубкам и вертикально выходит через выпуск, тем самым, в целом, перемещаясь вертикально.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения впускной конец и выпускной конец спроектированы так, что жидкий пищевой продукт протекает, в целом, горизонтально по одной или нескольким спиральным трубкам при взгляде от впускного конца к выпускному концу. Это означает, что жидкий пищевой продукт поступает в одну или несколько спиральных трубок через впуск горизонтально, протекает по одной или нескольким спиральным трубкам и горизонтально выходит через выпуск, тем самым, в целом, перемещаясь горизонтально.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения соединены с одним или несколькими волокнами, направляющими излучение 180-300 нм от одного или нескольких источников излучения к одной или нескольким спиральным трубкам. Это означает, что излучение источника излучения направляется посредством/через одно или несколько волокон к одной или нескольким спиральным трубкам. Волокно может представлять собой оптическое волокно. Оптическое волокно является гибким, прозрачным волокном, изготовленным, например, путем вытягивания стекла (оксида кремния) или пластика до заданного диаметра. Оптические волокна могут быть использованы в качестве средства передачи излучения между двумя концами волокна.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один источник излучения и множество волокон использованы для освещения одной или нескольких спиральных трубок.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения выбраны из ртутной лампы, ксеноновой лампы и светодиода (liquid emitting diode, LED). В соответствии с настоящим изобретением, источник излучения может представлять собой любой источник излучения, пригодный для получения излучения в диапазоне длин волн от 180 нм до 300 нм.
Ртутная лампа представляет собой газоразрядную лампу, в которой для получения излучения используется электрическая дуга в парах ртути. Дуговой разряд может быть заключен в небольшой лампе из плавленого кварца.
Светодиод (LED) представляет собой двухпроводный полупроводниковый источник излучения. Это плоскостной диод с р-n-переходом, который, будучи активированным, испускает излучение. Когда к проводам приложено надлежащее напряжение, электроды способны к рекомбинации с электронными дырками внутри устройства, при этом выделяется энергия в форме фотонов. Этот эффект называют электролюминесценцией, а цвет излучения (соответствующий энергии фотона) определяется энергией запрещенной зоны полупроводника. LED обычно имеют небольшой размер (менее 1 мм), и для моделирования излучения могут быть использованы интегральные оптические компоненты.
Ксеноновая дуговая лампа - это специализированный тип газоразрядной лампы, электрическая лампа, испускающая излучение при прохождении электрического тока через ионизированный газообразный ксенон высокого давления. Она дает яркий белый свет, довольно точно имитирующий естественный солнечный свет. Особый тип ксеноновых ламп используют в автомобилях. Это, по существу, металлогалогенная лампа, в которой ксеноновая дуга используется только во время запуска.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения представляют собой металлогалогенную лампу. Металлогалогенная лампа представляет собой электрическую лампу, которая испускает излучение благодаря созданию электрической дуги в газообразной смеси парообразных ртути и галогенидов металла. Она относится к типу газоразрядных ламп высокой интенсивности. Они подобны ртутным лампам, однако, в кварцевой лампе дополнительно присутствует галогенид металла, который может повышать эффективность и улучшать цветность излучения.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения выбраны из источников излучения, излучающих в УФ диапазоне спектра С (УФС).
УФ диапазон может быть разделен на несколько меньших областей: УФА, 315-400 нм; УФВ, 280-315 нм; УФС, 100-280 нм; ближняя УФ область, 300-400 нм; средняя УФ область, 200-300 нм; дальняя УФ область, 122-200 нм.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения выбраны из источников излучения, излучающих в средней УФ области.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения представляют собой бактерицидную лампу низкого давления, такую как ртутная лампа низкого давления.
Бактерицидная лампа низкого давления может представляют собой УФ лампу, значительная часть излучаемой мощности которой соответствует диапазону УФС, такую как ртутная лампа низкого давления или амальгамная лампа низкого давления.
Амальгамная лампа низкого давления представляет собой лампу, в которой ртуть соединена с другим элементом (часто галлием), поэтому также называется амальгамной.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения функционируют при температуре лампы от 0°С до 120°С.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения функционируют при температуре лампы от 20°С до 60°С.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения функционируют при температуре лампы от 30°С до 50°С.
В соответствии с настоящем изобретением, одно из преимуществ использования источника излучения с меньшей температурой лампы может заключаться в том, что от источника излучения к жидкому пищевому продукту передается меньше тепла. Благодаря этому могут быть снижены требования к охлаждению жидкого пищевого продукта во время работы биореактора.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения функционируют при температуре лампы 40°С.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения расположены снаружи одной или нескольких спиральных трубок.
В другом варианте осуществления изобретения один или несколько источников излучения расположены внутри одной или нескольких спиральных трубок. В других вариантах осуществления изобретения один или несколько источников излучения расположены и внутри одной или нескольких спиральных трубок, и снаружи одной или нескольких спиральных трубок.
Расположение одного или нескольких источников излучения может быть изменено в соответствии с общей компоновкой биореактора так, чтобы достичь наибольшей возможной передачи энергии от одного или нескольких источников излучения к жидкому пищевому продукту внутри одной или нескольких спиральных трубок.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения один или несколько фильтров выбраны из полосно-пропускающих фильтров, узкополосных режекторных фильтров или их сочетания.
Одним из преимуществ использования одного или нескольких фильтров (например, полосно-пропускающего фильтра или узкополосного режекторного фильтра) является то, что может быть исключено фотоокисление излучением с большей длиной волны. Например, предпочтительно исключить фотоокисление рибофлавина (длина волны около 446 нм), но также предпочтительно исключить фотоокисление и других компонентов жидкого пищевого продукта, из-за которого усиливается горький привкус и ухудшается запах/вкус указанного пищевого продукта. Кроме этого, фильтры могут исключить контакт горячего воздуха с одним или несколькими змеевиками, тем самым, предотвращая нагревание жидкого пищевого продукта.
Полосно-пропускающий фильтра представляет собой устройство, пропускающее частоты определенного диапазона и подавляющее/ослабляющее частоты за пределами этого диапазона.
Узкополосный режекторный фильтр является полосно-заграждающим фильтром с узкой полосой заграждения. При обработке сигнала, полосно-заграждающий фильтр или узкополосный режекторный фильтр - это фильтр, который большую часть частот пропускает неизменными, но подавляет/ослабляет частоты определенного диапазона до очень низкого уровня. Это противоположность полосно-пропускающего фильтра.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения фотобиореактор дополнительно содержит корпус реактора. Корпус реактора имеет модульную конструкцию, следовательно, не имеет минимальной или максимальной длины. Размер корпуса реактора зависит от размера одного или нескольких источников излучения, одной или нескольких спиральных трубок и других конструкционных особенностей биореактора. Наличие корпуса реактора может быть желательным, поскольку он удерживает излучение внутри реактора и отражает его в направлении одной или нескольких спиральных трубок.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения одна или несколько спиральных трубок, один или несколько источников излучения и один или несколько фильтров заключены внутри корпуса реактора.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения корпус реактора изготовлен из материала, отражающего излучение УФС. Материал, отражающий излучение УФС, может представлять собой материал, отражающий излучение в диапазоне от 100 нм до 300 нм. Одним из преимуществ использования материала, отражающего излучение УФС, может быть сведение к минимуму энергии, необходимой для работы реактора, так как в направлении одной или нескольких спиральных трубок может быть отражено больше излучения.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения корпус реактора изготовлен из отражающего политетрафторэтилена (PTFE).
Политетрафторэтилен (PTFE) является синтетическим фторполимером тетрафторэтилена, имеющим множество вариантов применения. Наиболее известной торговой маркой композиций на основе PTFE является Тефлон. PTFE представляет собой фторуглеродное твердое тело, поскольку является высокомолекулярным соединением, полностью состоящим из углерода и фтора. PTFE является гидрофобным: ни вода, не содержащие воду вещества не смачивают PTFE, так как фторуглероды, из-за высокой электроотрицательности фтора, проявляют умеренные лондоновские дисперсионные силы. PTFE характеризуется наименьшим коэффициентом трения среди твердых тел.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения фотобиореактор дополнительно содержит средство воздушного охлаждения одного или нескольких источников излучения. В зависимости от температуры лампы, для поддержания приемлемой температуры жидкого пищевого продукта во время прохождения по жидкостной траектории может потребоваться дополнительное охлаждение.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения поток воздуха для охлаждения источников излучения представляет собой поток воздуха от одной стороны до другой стороны фотобиореактора.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения поток воздуха для охлаждения источников излучения представляет собой поток воздуха из верхней части фотобиореактора к нижней части фотобиореактора. В качестве альтернативы, этот поток может быть направлен снизу-вверх или представлять собой сочетание потока от одной стороны до другой стороны и потока снизу/сверху вверх/вниз.
Поток воздуха для охлаждения ламп может быть различным образом отрегулирован так, чтобы оптимально охлаждать лампы до заданной температуры. Воздух также может проходить через среднюю часть ламп с целью оптимального охлаждения.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения фотобиореактор дополнительно содержит блок управления.
Блок управления может представлять собой блок, пригодный для измерения и регулирования, например, скорости потока, температуры, интенсивности излучения и множества других свойств. Одним из преимуществ использования блока управления может быть автоматическое управление биореактором. Кроме этого, при помощи блока управления может быть создана система наблюдения, которая, например, в случае снижения давления, повышения температуры или снижения интенсивности излучения может уведомлять оператора.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения блок управления содержит электронный регулятор температуры и регулятор расхода.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения блок управления осуществляет автоматическое регулирование температуры лампы и скорости потока жидкости по жидкостной траектории. Преимуществом использования автоматического регулирования может быть экономия времени пользователя благодаря сокращению времени, необходимого для наблюдения за системой и выполнения регулирования параметров системы вручную. Кроме этого, при наличии блока управления может быть создана система наблюдения, которая, например, в случае снижения давления, повышения температуры или снижения интенсивности излучения может уведомлять оператора. Кроме этого, блок управления может автоматически реагировать на снижение давления, увеличение температуры или снижение интенсивности излучения. В качестве альтернативы, блок управления может останавливать реактор, если не способен противодействовать различным нарушениям процесса.
Другим аспектом настоящего изобретения является применение фотобиореактора, описанного в настоящем документе, для холодной пастеризации жидких пищевых продуктов.
Холодная пастеризация может представлять собой частичную стерилизацию вещества, в частности, жидкости способом, при котором избегают нагревания, как основного средства уничтожения нежелательных организмов, без значительного изменения вещества. Избегать не означает исключать, но только сокращать. В соответствии с настоящим изобретением, одним из преимуществ использования излучения в качестве средства холодной пастеризации является то, что это очень энергоэффективный способ частичной стерилизации.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения жидкие пищевые продукты выбраны из жидких молочных продуктов.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения жидкие пищевые продукты выбраны из сырого молока, молока, сока, кофе, чая, соевого молока, сойлента, содовой воды, бульона, супа, пива, фруктовых напитков, белкового коктейля, жидкого заменителя пищи, сливок, вина, майонеза, кетчупа, сиропа, меда или непрозрачной технологической воды.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 2-Log10. Биологический загрязнитель может представлять собой, например, бактерии, споры, плесень или вирусы.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 3-Log10.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 4-Log10.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 5-Log10.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 6-Log10.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель выбран из Campylobacter jejuni, Shigella, Coxiella burnetii, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Mycobacterium bovis, Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium paratuberculosis, Salmonella spp., Yersinia enterocolitica, Brucella spp., Staphylococcus spp., Lactobacillus casei, Mycobacterium avium subspecies, Staphylococcus aureus, Streptococcus spp., Enterococcus spp. или Entrerobacter spp.
Другим аспектом настоящего изобретения является применение фотобиореактора, описанного в настоящем документе, для уничтожения в жидких пищевых продуктах микроорганизмов, таких как бактерии, плесень, споры или вирусы.
Под уничтожением понимается сокращение количества активных или живых микроорганизмов. Микроорганизмы, встречающиеся в жидких пищевых продуктах, могут присутствовать в них из-за загрязнения в процессе обработки указанных жидких пищевых продуктов. Обычными бактериальными загрязнителями, например, молочных продуктов могут быть, например, Lactobacillus casei, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Salmonella spp., Mycobacterium avium подвид paratuberculosis (MAP), Staphylococcus aureus или Streptococcus spp.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения жидкие пищевые продукты выбраны из жидких молочных продуктов.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения жидкие пищевые продукты выбраны из сырого молока, молока, сока, кофе, чая, соевого молока, сойлента, содовой воды, бульона, супа, пива, фруктовых напитков, белкового коктейля, жидкого заменителя пищи, сливок, вина, майонеза, кетчупа, сиропа, меда или непрозрачной технологической воды.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 2-Log10, например, по меньшей мере, 3-Log10, например, по меньшей мере, 4-Log10, например, по меньшей мере, 5-Log10, например, по меньшей мере, 6-Log10. Биологический загрязнитель может представлять собой, например, бактерии, споры, плесень или вирусы.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 5-Log10.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно, по меньшей мере, 6-Log10.
В одном или нескольких вариантах осуществления изобретения биологический загрязнитель выбран из Campylobacter jejuni, Shigella, Coxiella burnetii, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Mycobacterium bovis, Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium paratuberculosis, Salmonella spp., Yersinia enterocolitica, Brucella spp., Staphylococcus spp., Lactobacillus casei, Mycobacterium avium subspecies, Staphylococcus aureus, Streptococcus spp., Enterococcus spp. или Entrerobacter spp.
При описании вариантов осуществления настоящего изобретения, сочетания и перестановочные трансформации всех возможных вариантов осуществления изобретения явным образом не описаны. Однако, сам факт, что определенные признаки описаны в отличных друг от друга зависимых пунктах формулы изобретения или в разных вариантах осуществления изобретения, не означает, что сочетание этих признаков не может быть выгодным. Настоящим изобретением предусматриваются все возможные сочетания и перестановочные трансформации описанных вариантов его осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлен вид с пространственным разделением деталей одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, на котором показаны корпус реактора, спиральные трубки с впуском и выпуском, стойка и фильтр.
На фиг. 2 представлен вид сбоку одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, на котором показаны два корпуса реактора, два выпуска, два фильтра и множество источников излучения.
На фиг. 3 представлен вид сбоку одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, на котором показаны два корпуса реактора, два выпуска, два фильтра и множество источников излучения.
На фиг. 4 представлен сквозной вид сбоку одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, на котором показаны два корпуса реактора (части корпуса реактора видимы насквозь), два выпуска, два фильтра (фильтры видимы насквозь) и множество источников излучения.
На фиг. 5 представлен сквозной вид спереди одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, на котором показаны корпус реактора, спиральная трубка со впуском и выпуском, стойка и фильтр.
На фиг. 6 представлен вид сбоку в сечении одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, на котором показаны корпус реактора, спиральная трубка со впуском и выпуском (не показан), стойка и фильтр. Сечение выполнено посередине корпуса реактора.
На фиг. 7 схематично показаны различные части и размеры для конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 8 представлен анализ количества энергии, требуемой от источника излучения для достижения инактивации или уменьшения количества биологического загрязнителя.
На фиг. 9 представлен анализ отличий в настоящем изобретении при изменении температуры с 18 градусов Цельсия до 38 градусов Цельсия.
На фиг. 10 представлен анализ отличий в настоящем изобретении при изменении расхода жидкости в трубках трех разных размеров.
На фиг. 11 показана степень повреждения, наносимого излучением вирусам по сравнению с белком при разных длинах волн (220-320 нм).
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1, 5 и 6 представлены различные виды одного из вариантов осуществления фотобиореактора для холодной пастеризации жидких пищевых продуктов. Фотобиореактор содержит спиральную трубку 104, проходящую от впускного конца 106 до выпускного конца 108, образуя жидкостную траекторию. Спиральная трубка 104 обвита вокруг стойки 110.
Кроме этого, фотобиореактор содержит корпус 102а, 102b, 102с реактора, состоящий из трех частей; первая часть 102а находится сверху фотобиореактора, показанного на фиг. 1, вторая часть, образует боковую сторону корпуса, и третья часть образует нижнюю сторону фотобиореактора.
Фильтр 112, расположенный снаружи спиральной трубки 104, также показан на фиг. 1. Фильтр 112 предотвращает достижение излучением с длиной волны более 300 нм спиральной трубки 104.
На фиг. 5 фильтр 112 показан как видимый насквозь. Представленное на фиг. 6 сечение выполнено посередине корпуса 102а, 102b и 102с реактора.
Фотобиореакторы, показанные на фиг. 1, 5 и 6, являются примерами фотобиореакторов, в которых жидкий пищевой продукт протекает, в целом, вертикально по одной или нескольким спиральным трубками 104 при взгляде от впускного конца 106 к выпускному концу 108.
На фиг. 2-4 представлен альтернативный вариант осуществления фотобиореактора для холодной пастеризации жидких пищевых продуктов, включающего элементы, подобные определенным и описанным в связи с фиг. 1, 5 и 6.
В варианте осуществления изобретения, представленном на фиг. 2-4, для облучения двух спиральных трубок 104 использовано множество источников 114 излучения. Излучение источников 114 соответствует диапазону длин волн 180-300 нм. Как показано на фиг. 2-4, два фильтра 112 размещено между источниками 114 излучения и двумя спиральными трубками 104, входящими в фотобиореактор.
На фиг. 4 два фильтра 112 показаны как видимые насквозь. Кроме этого, внутри корпуса 102а, 102b и 102с реактора на фиг. 4 можно видеть две спиральных трубки 104 со впусками 106 и выпусками 108 и стойки 110.
Фотобиореакторы, показанные на фиг. 2-4, являются примерами фотобиореакторов, в которых жидкий пищевой продукт протекает, в целом, горизонтально по одной или нескольким спиральным трубками 104 при взгляде от впускного конца 106 к выпускному концу 108.
На фиг. 7 показаны спиральные трубки 104 со впуском 106 и выпуском 108, соответствующие изобретению. Длина 116 спиральной трубки в сжатом состоянии, длина в растянутом состоянии/свободная длина 118 спиральных трубок, внутренний диаметр 120 трубки, шаг 122, угол 124 спирали, диаметр 126 спирали, наружный диаметр 128 трубки и толщина 130 стенки также показаны на фиг. 7.
На фиг. 8 представлен анализ количества энергии, требуемой от источника излучения для достижения инактивации или уменьшения количества биологического загрязнителя.
На фиг. 9 представлен анализ отличий в настоящем изобретении при изменении температуры с 18 градусов Цельсия до 38 градусов Цельсия.
На фиг. 10 представлен анализ отличий в настоящем изобретении при изменении расхода жидкости в трубках трех разных размеров.
На фиг. 11 показана степень повреждения, наносимого излучением вирусам по сравнению с белком при разных длинах волн (220-320 нм).
ПРИМЕРЫ
Общая методика эксперимента
Влияние диаметра трубки и расхода жидкости исследовали с применением цельного долгохранящегося молока, в которое добавили Escherichia coli до концентрации, минимум, 2,7Е6 на миллилитр (измеряемой наиболее надежным численным методом).
Один литр цельного долгохранящегося молока помещали в стерилизованную голубую колбу с крышкой и добавляли 1 мл среды Escherichia coli, достигая минимальной концентрации, по меньшей мере, 2,7Е6/мл. Организовывали циркуляцию молока с добавкой в УФ-реакторе и отбирали пробы с интервалами, через которые достигались заданные дозы УФС. Молоко с добавкой постоянно перемешивали в ходе эксперимента при помощи магнитной мешалки.
Для каждой конкретной величины расхода и размера трубки готовили свежую порцию, включающую 1 литр долгохранящегося молока и Escherichia coli с минимальной концентрацией 2,7Е6/мл.
УФ-реактор состоял из трубки, изготовленной из FEP и обвитой вокруг 28 мм кварцевого стекла. Внутри кварцевого стекла была помещена бактерицидная лампа 75 Вт с пиком излучения на 253,7 нм. Использованные в экспериментах трубки соответствовали американскому сортаменту проводов (American Wire Gauge, AWG) 7, 9 и 11, величины расхода составляли 200, 300, 600 и 1000 мл в минуту.
Циркуляцию молока организовали при помощи центробежного лопастного насоса; молоко подвергали воздействию излучения в УФ-реакторе в течение некоторого периода времени, после чего при помощи стерилизованных пипеток отбирали пробы 20 мл и переносили их в стерилизованную голубую колбу с крышкой. Перед началом каждого эксперимента молоко циркулировало в системе при выключенной лампе, при этом, отбирали пробы с целью установления начальной концентрации. Температура молока составляла от 24 до 25°С в начале каждого эксперимента и от 34 до 43°С в конце каждого эксперимента.
После каждого эксперимента систему подвергали очистке без демонтажа, для чего сначала заполняли на 10 мин деминерализованной водой, после чего 40 мин проводили циркуляцию 1% раствора NaOН при 65°С. Затем систему заполняли на 10 мин деминерализованной водой. Наконец, систему промывали 20 мин деминерализованной водой.
Непосредственно по окончании эксперимента пробы передавали в ламинарный бокс, где их подвергали обработке методом MPN в соответствии с Jarvis, B. et al., Journal of Applied Microbiology, 2010, 109, 1660-1667.
Через два дня пребывания в инкубаторе при 35°С подсчитывали число пробирок с положительным результатом и рассчитывали концентрацию бактерий.
Пример 1
В экспериментальном примере 1 исследовали количество энергии, требуемой от насоса и источника излучения, для достижения инактивации или уменьшения количества биологического загрязнителя. В эксперименте использовали трубку размером AWG 9 и расход жидкости 700 мл в минуту. Как можно видеть на фиг. 8, при использовании небольшой энергии излучения (около 1,2 кВт на 1000 литров жидкости) достигали уменьшения 1-log10. При увеличении используемой энергии излучения величина кратного Log10 уменьшения также увеличивалась, пока не достигала плато при 100 кВт на 1000 литров жидкости при уменьшении около 5-log10.
Пример 2
В экспериментальном примере 2 исследовали отличие в настоящем изобретении при изменении температуры с 18 градусов Цельсия до 38 градусов Цельсия. В эксперименте использовали трубку размером AWG 9 и расход жидкости 700 мл в минуту. Как можно видеть на фиг. 9, отличие в кратном log10 уменьшении одинаково при 10 кВт на 1000 литров жидкости. Однако, когда используемую энергию увеличивали, кратное log10 уменьшение между 18 градусов Цельсия и 38 градусов Цельсия становилось значительным. При энергии около 18 кВт на 1000 литров жидкости кратное log10 уменьшение составляло 5,5 для 38 градусов Цельсия и 6,5 для 18 градусов Цельсия, что соответствует разности 1-log10.
Пример 3
В экспериментальном примере 3 исследовали отличие в настоящем изобретении при изменении расхода жидкости в трубках трех разных размеров. В эксперименте использовали трубки размером AWG 7, 9 и 11 и величины расхода 200, 300, 600 и 1000 мл в минуту. Температуру поддерживали в диапазоне от 24 до 43 градусов Цельсия. Как можно видеть на фиг. 10, в зависимости от размера трубки оптимальный набор установок достигается при разных величинах расхода.
При использовании трубки размером AWG 7 отличия для разных величин расхода были небольшие. Однако, отличие было наиболее выраженным при высокой энергии воздействия (около 4000 Дж на литр жидкости), когда между расходом 200-300 мл/мин и расходом 600-1000 мл/мин наблюдалась разность на 1-log10.
При использовании трубки размером AWG 9 отличия для разных величин расхода были значительными. Отличие было наиболее выраженным при высокой энергии воздействия (около 4500 Дж на литр жидкости), когда между расходом 200-300 мл/мин и расходом 600-1000 мл/мин наблюдалась разность на 3-log10.
При использовании трубки размером AWG 11 отличия для разных величин расхода были очень небольшими. Однако, при высокой энергии воздействия (около 4000 Дж на литр жидкости) отличие было пренебрежимо мало.
Список обозначений на чертежах
102а Первая часть корпуса реактора
102b Вторая часть корпуса реактора
102с Третья часть корпуса реактора
104 Спиральные трубки
106 Впуск
108 Выпуск
110 Стойка
112 Фильтр
114 Источник излучения
116 Длина в сжатом состоянии
118 Длина в растянутом состоянии/свободная длина
120 Внутренний диаметр трубки
122 Шаг
124 угол спирали
126 Диаметр спирали
128 Наружный диаметр трубки
130 Толщина стенки.
1. Ультрафиолетовый реактор для пастеризации жидких пищевых продуктов, например молока, при этом ультрафиолетовый реактор содержит:
а. одну или несколько спиральных трубок, проходящих от впускного конца до выпускного конца, образуя жидкостную траекторию, и
b. один или несколько источников излучения, облучающих одну или несколько спиральных трубок, при этом один или несколько источников излучения испускают излучение с длиной волны в диапазоне 180-300 нм,
при этом ультрафиолетовый реактор дополнительно содержит один или несколько фильтров, расположенных между одним или несколькими источниками излучения и одной или несколькими спиральными трубками, при этом один или несколько фильтров предотвращают достижение излучением с длиной волны более 300 нм одной или нескольких спиральных трубок, и при этом один или несколько фильтров ослабляют свет с длиной волны выше 300 нм по меньшей мере с коэффициентом 100 или более.
2. Ультрафиолетовый реактор по п. 1, в котором при движении текучей среды по одной или нескольким спиральным трубкам возникает течение с вихрями Дина, ламинарное течение или турбулентное течение.
3. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором одна или несколько спиральных трубок имеют внутренний диаметр трубки от 1 мм до 10 мм, например от 2 мм до 9 мм, например от 3 мм до 8 мм, например от 4 мм до 7 мм, например от 5 мм до 6 мм.
4. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором одна или несколько спиральных трубок имеют внутренний диаметр трубки 5,5 мм.
5. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором одна или несколько спиральных трубок характеризуются шагом от 2 до 8 мм, например от 3 до 7 мм, например от 4 до 7 мм, например 6 мм, при этом шаг представляет собой расстояние от центра до центра одной или нескольких спиральных трубок после одного витка спирали одной или нескольких спиральных трубок.
6. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором одна или несколько спиральных трубок характеризуются углом спирали от 1° до 6°, например от 2° до 5°, например от 3° до 4°, при этом угол спирали измеряют между одной или несколькими спиральными трубками и прямым направлением, сопоставимым с направлением от впускного конца к выпускному концу, образующим жидкостную траекторию.
7. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором одна или несколько спиральных трубок характеризуются диаметром спирали от 20 до 150 мм, при этом диаметр спирали представляет собой расстояние от наружного конца до наружного конца одной или нескольких спиральных трубок после половины витка спирали одной или нескольких спиральных трубок.
8. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором одна или несколько спиральных трубок имеют наружный диаметр трубки от 2 мм до 8 мм, например от 3 мм до 7 мм, например от 4 мм до 7 мм, например 6 мм.
9. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором одна или несколько спиральных трубок имеют толщину стенки от 0,1 до 0,4 мм, например от 0,1 до 0,3 мм, например от 0,2 до 0,3 мм.
10. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором одна или несколько спиральных трубок обвиты вокруг стойки.
11. Ультрафиолетовый реактор по п. 10, в котором одна или несколько спиральных трубок включают в себя только одну спиральную трубку.
12. Ультрафиолетовый реактор по п. 10, в котором одна или несколько спиральных трубок обвиты вокруг стойки парами по меньшей мере из двух трубок.
13. Ультрафиолетовый реактор по пп. 10-12, в котором стойка изготовлена из отражающего материала.
14. Ультрафиолетовый реактор по п. 13, в котором стойка изготовлена из отражающего полимерного материала.
15. Ультрафиолетовый реактор по п. 14, в котором стойка изготовлена из политетрафторэтилена (PTFE).
16. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором одна или несколько спиральных трубок имеют длину в сжатом состоянии от впускного конца до выпускного конца от 100 мм до 400 мм, при этом длина в сжатом состоянии - это длина одной или нескольких спиральных трубок в той форме, в которой они установлены в ультрафиолетовом реакторе, без растягивания или сдавливания одной или нескольких спиральных трубок, то есть размер от впускного конца до выпускного конца.
17. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором одна или несколько спиральных трубок имеют длину в растянутом состоянии/свободную длину от впускного конца до выпускного конца от 5 м до 20 м.
18. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором одна или несколько спиральных трубок изготовлены из полимерного материала или кварцевого стекла, прозрачных для УФ излучения.
19. Ультрафиолетовый реактор по п. 18, в котором одна или несколько спиральных трубок изготовлены из материала, выбранного из фторированного этилен-пропилена (FEP), политетрафторэтилена (PTFE) или перфторалкоксиалканов (PFA).
20. Ультрафиолетовый реактор по п. 18, в котором одна или несколько спиральных трубок изготовлены из аморфного фторполимера (AF).
21. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором впускной конец и выпускной конец спроектированы так, что жидкий пищевой продукт входит и выходит из одной или нескольких спиральных трубок аксиально.
22. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором впускной конец и выпускной конец спроектированы так, что жидкий пищевой продукт протекает, в целом, вертикально по одной или нескольким спиральным трубкам при взгляде от впускного конца к выпускному концу.
23. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пп. 1-21, в котором впускной конец и выпускной конец спроектированы так, что жидкий пищевой продукт протекает, в целом, горизонтально по одной или нескольким спиральным трубкам при взгляде от впускного конца к выпускному концу.
24. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором один или несколько источников излучения соединены с одним или несколькими волокнами, направляющими излучение 180-300 нм от одного или нескольких источников излучения к одной или нескольким спиральным трубкам.
25. Ультрафиолетовый реактор по п. 24, в котором один источник излучения и множество волокон использованы для облучения одной или нескольких спиральных трубок.
26. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором один или несколько источников излучения выбраны из ртутной лампы, ксеноновой лампы и светодиода (LED).
27. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором один или несколько источников излучения представляют собой бактерицидную лампу низкого давления, такую как ртутная лампа низкого давления.
28. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором один или несколько источников излучения функционируют при температуре лампы от 0°С до 120°С, например от 20°С до 60°С, например от 30°С до 50°С.
29. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором один или несколько источников излучения расположены снаружи одной или нескольких спиральных трубок.
30. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором один или несколько источников излучения расположены внутри одной или нескольких спиральных трубок.
31. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором один или несколько фильтров выбраны из полосно-пропускающих фильтров, узкополосных режекторных фильтров или их сочетания.
32. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, дополнительно включающий корпус реактора.
33. Ультрафиолетовый реактор по п. 32, в котором одна или несколько спиральных трубок, один или несколько источников излучения и один или несколько фильтров заключены внутри корпуса реактора.
34. Ультрафиолетовый реактор по п. 32 или 33, в котором корпус реактора изготовлен из материала, отражающего излучение УФ-С.
35. Ультрафиолетовый реактор по пп. 32-34, в котором корпус реактора изготовлен из отражающего политетрафторэтилена (PTFE).
36. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором ультрафиолетовый реактор дополнительно содержит средство воздушного охлаждения одного или нескольких источников излучения.
37. Ультрафиолетовый реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором ультрафиолетовый реактор дополнительно содержит блок управления.
38. Ультрафиолетовый реактор по п. 37, в котором блок управления содержит электронный регулятор температуры и регулятор расхода.
39. Ультрафиолетовый реактор по п. 37 или 38, в котором блок управления автоматически регулирует температуру лампы и скорость потока жидкости по жидкостной траектории.
40. Применение ультрафиолетового реактора по любому из пп. 1-39 для холодной пастеризации жидких пищевых продуктов.
41. Применение ультрафиолетового реактора по любому из пп. 1-39 для уничтожения в жидких пищевых продуктах микроорганизмов, таких как бактерии, плесень, споры или вирусы.
42. Применение ультрафиолетового реактора по п. 40 или 41, в котором жидкие пищевые продукты выбраны из жидких молочных продуктов.
43. Применение ультрафиолетового реактора по п. 40 или 41, в котором жидкие пищевые продукты выбраны из сырого молока, молока, сока, кофе, чая, соевого молока, сойлента, содовой воды, бульона, супа, пива, фруктовых напитков, белкового коктейля, жидкого заменителя пищи, сливок, вина, майонеза, кетчупа, сиропа, меда или непрозрачной технологической воды.
44. Применение ультрафиолетового реактора по п. 40 или 43, в котором биологический загрязнитель инактивируют или уменьшают его количество кратно по меньшей мере 2-Log10, например по меньшей мере 3-Log10, например по меньшей мере 4-Log10, например по меньшей мере 5-Log10, например по меньшей мере 6-Log10.
45. Применение ультрафиолетового реактора по п. 44, при этом биологический загрязнитель выбран из Campylobacter jejuni, Shigella, Coxiella burnetii, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Mycobacterium bovis, Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium paratuberculosis, Salmonella spp., Yersinia enterocolitica, Brucella spp., Staphylococcus spp., Lactobacillus casei, Mycobacterium avium subspecies, Staphylococcus aureus, Streptococcus spp., Enterococcus spp. или Entrerobacter spp.
