Энергоэффективность обеззараживающей обработки текучих пищевых продуктов при помощи высоковольтных импульсных воздействий

Abstract

Цель. Экспериментально определить рациональные режимы и энергоэффективность обеззараживающей обработки текучих пищевых продуктов при помощи высоковольтных импульсных воздействий в сравнении с традиционной пастеризацией. Методика. Для получения высоковольтных импульсов на рабочих камерах – нагрузке генератора применена методика генерирования импульсов при помощи повышающего трансформатора, высоковольтных импульсных конденсаторов и разрядников с системой обострения фронта импульсов. Импульсы на нагрузке измерялись при помощи низкоомного резистивного делителя напряжения, передавались по широкополосному коаксиальному кабелю и регистрировались при помощи аналогового осциллографа С8-12 или цифрового осциллографа Rigol DS1102E с полосой пропускания 100 МГц у каждого. Рабочие камеры заполнялись водой, молоком или молочной сывороткой и состояли из кольцеобразного корпуса, выполненного из фторопласта, и металлических электродов, образующих дно и крышку камеры, имеющих плоские накладки из пищевой нержавеющей стали для контакта с пищевым продуктом внутри камеры. Результаты. Получены высоковольтные импульсы на нагрузке генератора с длительностью по основанию 300-1200 нс при частотах следования импульсов до 500 имп/с. Экспериментально полученные амплитуды импульсов напряжения на нагрузке генератора – до 75 кВ, а напряженности электрического поля – до 35 кВ/см в рабочих камерах с зазором 22 мм и до 50 кВ/см в рабочих камерах с зазором 15 мм. Указанные характеристики импульсов позволили осуществить полную и необратимую инактивацию микроорганизмов в пищевых жидкостях в рабочих камерах. Научная новизна. Показано, что существуют режимы обработки пищевых продуктов при помощи высоковольтных импульсных воздействий, позволяющие лучше сохранить биологическую и пищевую ценность продуктов по сравнению с тепловой обработкой при их полном обеззараживании и при существенно меньших удельных энергозатратах. Практическая значимость. Полученные экспериментально режимы обработки молока, молочной сыворотки и воды с уменьшенными удельными энергозатратами открывают перспективу промышленного применения комплекса высоковольтных импульсных воздействий для обеззараживающей обработки водосодержащих пищевых продуктов.

Мета. Експериментально визначити раціональні режими и енергоефективність знезаражуючої обробки текучих харчових продуктів за допомогою високовольтних імпульсних дій у порівнянні з традиційною пастеризацією. Методика. Для одержання високовольтних імпульсів на робочих камерах – навантаженні генератора застосована методика генерування імпульсів за допомогою підвищувального трансформатора, високовольтних імпульсних конденсаторів і розрядників з системою загострення фронту імпульсів. Імпульси на навантаженні вимірювалися за допомогою низькоомного резистивного дільника напруги, передавались по широкосмуговому коаксіальному кабелю і реєструвались за допомогою аналогового осцилографа С8-12 або цифрового осцилографа Rigol DS1102E зі смугою пропускання 100 МГц у кожного. Робочі камери заповнювались водою, молоком або молочною сироваткою і складалися з кільцевидного корпусу, який виготовлено з фторопласта, і металевих електродів, що створюють дно и кришку камери, мають плоскі накладки з харчової неіржавіючої сталі для контакту з харчовим продуктом усередині камери. Результати. Одержано високовольтні імпульси на навантаженні генератора з тривалістю по основі 300-1200 нс при частотах проходження імпульсів до 500 імп/с. Експериментально одержані амплітуди імпульсів напруги на навантаженні генератора – до 75 кВ, а напруженості електричного поля – до 35 кВ/см в робочих камерах з зазором 22 мм і до 50 кВ/см в робочих камерах з зазором 15 мм. Вказані характеристики імпульсів дозволили здійснити повну і незворотну інактивацію мікроорганізмів в харчових рідинах в робочих камерах. Наукова новизна. Показано, що існують режими обробки харчових продуктів за допомогою високовольтних імпульсних дій, які дозволяють краще зберегти біологічну і харчову цінність продуктів порівняно з тепловою обробкою при їх повному знезаражуванні и при суттєво менших питомих енерговитратах. Практична значущість. Одержані експериментально режими обробки молока, молочної сироватки и води зі зменшеними питомими енерговитратами відкривають перспективу промислового застосування комплексу високовольтних імпульсних дій для знезаражуючої обробки водовмісних харчових продуктів.

Purpose. Experimentally determine the rational modes and energy efficiency of decontamination treatment of flowing food products using high-voltage impulse actions in comparison with traditional pasteurization. Methodology. We used pulse generation method with the help of a step-up transformer, highvoltage pulse capacitors and spark gaps with a system of peaking of pulse front to obtain high-voltage pulses in working chambers - the generator load. The pulses on the load were measured by a low-resistance resistive voltage divider, were transmitted over a broadband coaxial cable and recorded using an analog C8-12 oscilloscope or a Rigol DS1102E digital oscilloscope with a bandwidth of 100 MHz for each. The working chambers were filled with water, milk or milk whey and consisted of an annular hull made of PTFE and metal electrodes forming the bottom and the chamber cover having flat linings of food grade stainless steel for contact with the food product inside the chamber. Results. We obtained high-voltage pulses on the generator load with a base duration of 300 to 1200 ns at pulse repetition rates up to 500 pulses per second. We obtained experimentally the amplitude of the voltage pulses on the generator load up to 75 kV, and the electric field strength up to 35 kV/cm in working chambers with a gap of 22 mm and up to 50 kV/cm in working chambers with a gap of 15 mm. These characteristics of the pulses allowed complete and irreversible inactivation of microorganisms in food liquids in working chambers. Originality. We showed that there are modes of treatment food products with the help of high-voltage pulse actions, which allow better to preserve the biological and nutritional value of the products in comparison with heat treatment with their complete disinfection and at a significantly lower specific energy consumption. Practical value. The experimental regimes for treating milk, whey and water with reduced specific energy consumption open the prospect of industrial application of a complex of high-voltage pulse actions for the disinfecting treatment of water-containing food products.