| JP10004778 | TEA RAW LEAF CONTROLLER |
| JP2004350594 | GRAIN STORAGE TANK |
| JP06233623 | STIRRER OF STORAGE TANK FOR CEREAL AND METHOD FOR CONTROLLING THEREOF |
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "АСТОР-С" (ул. Некрасова, д. 39 Вологд, 9 Vologda, RU)
| формула изобретения
способ гидратации биополимеров, включающий обработку воды в кавитацион- ном режиме и взаимодействие биополимерной массы с водой, обработанной в кавита- ционном режиме, отлич ающий ся тем , что обработку воды осуществляют в ка- витационном реакторе с амплитудой, вызывающей кавитацию акустической волны не менее чем 5,5P h , где P h - гидростатическое давление внутри кавитационного реактора, и с производительностью не более 450-V м в /чac, где V- внутренний объем кавитационного реактора в м 3 . |
способ гидратации биополимеров
область техники
изобретение относится к области производства, хранения и переработки сель- хозсырья, а также хранения и переработки природного сырья растительного и животного происхождения и предназначено к применению в процессах гидратации биополимерной массы, включающих обеззараживание используемой для этого воды и самой биомассы.
изобретение может быть использовано, например, для:
- обработки зерна, семян, плодов и иной биомассы перед закладкой их на хранение;
- предпосевной обработки зерна и семян;
- кондиционирования зерна при переработке его в муку;
- увлажнения и обеззараживания сырья в процессе приготовления сухих кормов для сельскохозяйственных животных и птицы;
- получения водных суспензий из продуктов измельчения зерна, семян и плодов, например, хлебопекарного теста или жидких кормов;
- обработки продуктов измельчения зерна, семян и плодов, либо другой биомассы в процессе экстрагирования растворимых и эмульгируемых веществ, например, при производстве напитков, в том числе алкогольных, жидких специй или лекарственных препаратов.
возможно применение изобретения для гидратации биополимеров животного происхождения, например:
- в процессах охлаждения, замораживания, размораживания и переработки мяса;
- восстановления молока из сухого молока и приготовления заменителей цельного молока, в том числе с использованием растительных протеинов.
изобретение распространяется также на случаи, когда для гидратации биополимеров вместо воды используется водный раствор.
предшествующий уровень техники
известен способ увлажнения зерна при переработке его в муку водой с температурой 15...204C и последующей изотермической выдержкой [егоров г. а., мартынен- ко я.ф., петренко т.п. технология и оборудование мукомольной, крупяной и комби-
кормовой промышленности.- M.: издательский комплекс мгупп, 1996]. при выдержке происходит распределение влаги по анатомическим частям зерна и образование ее связей с биополимерами.
недостатком известного способа является то, что вода, обладающая при комнатной температуре кластерной структурой, которая образована водородными связями ее молекул между собой, слабо вступает в реакцию гидратации биополимеров.
кроме того, вода комнатной температуры не оказывает бактерицидного или бак- териостатического действия на микроорганизмы, обитающие в ней самой, а также на поверхности зерна и способные вызвать его микробиологическую порчу.
известны способы горячего увлажнения зерна [айзикович л.е. физико- химические основы технологии производства муки.-м.: колос, 1975], осуществляемые предварительно подогретой водой или паром с давлением, близким к атмосферному.
недостатком этих способов является необратимая термическая денатурация протеинов, приводящая в дальнейшем к ухудшению потребительских качеств производимого продукта.
известны способы:
- предпосевной обработки семян [RU N°2170499, 1999];
- обработки зерна [егоров г., кочеткова а., сушенкова о. интенсификация гидротермической обработки зерна // мукомольно-элеваторная и комбикормовая промышленность, 1986, N°5.- с. 46-47];
- обеззараживания кормов [RU N°2164747, 1999];
- закладки силоса [RU JY22168910, 1999];
- изготовления препарата для обработки мясного сырья [RU 2130267, 1999];
- посола мяса [борисенко а.а. термогравиметрический анализ форм связи влаги в соленой говядине // мясная индустрия, 2001, N°7.- с. 45-46], в процессе которых воду подвергают электрохимическому активированию в электролизере. факторы, влияющие на интенсивность гидратации, носят не тепловой характер, поэтому недостатки, связанные с влиянием температуры на биополимеры, отсутствуют. однако, у описанных способов существует общий недостаток, заключающийся в необходимости предварительной химической очистки воды. в противном случае обрабатываемая биополимерная масса загрязняется продуктами электродных реакций. известны способы:
- обработка зерна, в котором воду распыляют в зерно при помощи ультразвука [RU N22122311, 1998];
- посола мясопродуктов, в процессе которого на рассол воздействуют ультразвуком при давлении ниже атмосферного [SU 1717063, 1992];
- приготовления теста на основе жиро-водо-мучной суспензии, подвергнутой воздействию ультразвука [RUN°2151783, 2000];
- приготовления с помощью ультразвука мучной суспензии для активации хлебопекарных дрожжей [RU Ne2184145, 2000].
причина, препятствующая использованию этих способов для гидратации и обеззараживания, состоит в том, что в воде при ее ультразвуковом распылении, ультразвуковой обработке с гидростатическим давлением ниже атмосферного или при наличии в ней фазы с развитой площадью поверхности, истинная кавитация отсутствует. поэтому процесс разрушения водородных связей протекает в этих условиях крайне медленно. можно показать, что при пониженном статическом давлении в воде или в тонком слое воды, где действует тепловой механизм рассеяния энергии акустических колебаний, даже если вся потенциальная энергия ультразвука с плотностью:
w = ^A г t, (1)
где: а - амплитуда давления в акустической волне; D - адиабатическая сжимаемость воды; t - продолжительность воздействия ультразвука; T - длительность периода ультразвуковой волны, расходуется на полезную работу, то для разрушения водородных связей, теплота которых в термодинамически равновесных условиях составляет ~25 кдж на моль воды (18 г), потребуются десятки часов. известны способы:
- производства хлеба, в котором замес теста осуществляют с использованием воды, прошедшей кавитационную обработку [RU N22151782, 2000];
- обработки зерна перед закладкой на хранение или переработкой в муку, в котором воду предварительно подвергают обработке в кавитационном режиме [RU N°2171568, 2000]. при осуществлении этих способов воду предварительно также подвергают аэрации.
наиболее близким к заявленному является способ, описанный в патенте [RU N°2171568, 2000]. как известно, зерно состоит в основном из гидрофильных биополимеров: белков клейковины и полисахаридов крахмала. эффект улучшения мукомоль-
ных свойств зерна достигается за счет интенсификации микрорастрескивания зерновок под воздействием явлений тепломассопереноса, сопровождающих гидратацию этих биополимеров и распад синтезируемой в процессе кавитационной обработки воды перекиси водорода на ферменты. в результате последнего также образуется кислород, который подавляет активность микрофлоры. то есть, такая обработка зерна водой является процессом гидратации биополимеров, сопровождающимся эффектом снижения микробиологического загрязнения обрабатываемой биомассы.
известно, что наиболее эффективно кавитационный процесс осуществляется в кавитационном реакторе - аппарате, в котором кавитация образуется в виде областей, располагающихся в пучностях давлений акустической волны [US N°4618263, 1986; RU JVs2209112, 2002; RU N22226428, 2003; RU 3422228217, 2003].
известно также, что уровень рассеиваемой на явлении кавитации энергии описывается посредством дифференциального уравнения движения стенки кавитационно- го пузырька [кпарр R.T., Dаilу J.W., наmmitt F.G. саvitаtiоп.-Nеw Yоrk: мсGrаw HiIl вооk соmрапу, 1970]. интегрируя это уравнение можно показать, что при амплитуде волны а в воде, составляющей, например, 0,8 давления покоя внутри кавитационного пузырька P 0 , мгновенное значение P давления на поверхности пузырька будет изменяться, как показано на фиг. 1. тогда среднее за время t давление, порождаемое ос- цилляциями кавитационного пузырька, вычисляемое в зависимости от фазы гармонической волны D по формуле:
в теории кавитационного реактора, которая применима к случаям, когда зависящий от а коллапс кавитационных пузырьков (отрезок времени, на протяжении которого их мгновенный радиус меньше радиуса покоя) пренебрежимо мал по сравнению с периодом вызывающей кавитацию ультразвуковой волны, справедливо выражение:
w = п- C P f n2
2T K d <£> (4)
где: п - число кавитационных пузырьков, участвующих в процессе; с - коэффициент затухания импульса давления в пространстве, м 1 . при этом время t в (2) или (3), через которые выражается P tιф , понимается, как среднее время прихода возмущения давления от пузырьков, составляющих кавитационную область, в точку пространства, для которой производится вычисление.
используя выражение (4) можно показать, например, что у круглого в плане реактора радиусом 50 мм со стоячей полуволной, равной 35 мм значения средней по объему реактора плотности потенциальной энергии, выделяемой за одинаковые промежутки времени для случаев, показанных на фиг. 2 графиками 1 и 2, отличаются почти в 20 раз.
внутри этого диапазона находится пороговая энергия, ниже которой обеззараживание воды не происходит, а наблюдается ускоренное развитие колоний бактерий, связанное с механическим разделением их скоплений без гибели отдельных микроорганизмов [бергман JI. ультразвук и его применение в науке и технике.- M: иил, 1956]. поэтому обеззараживание используемой воды в прототипе не происходит. усиление бактериостатического эффекта в отношении микрофлоры зерна при реализации прототипа достигается за счет аэрации воды с тем, чтобы увеличить выход перекиси водорода путем вовлечения в реакцию его синтеза кислорода воздуха. однако аэрация приводит к уменьшению PQ, что равноценно снижению гидростатического давления и, соответственно, эффективности разрушения водородных и ковалентных связей в воде.
все это не позволяет достигнуть сформулированного ниже технического результата изобретения при использовании прототипа.
раскрытие изобретения
техническим результатом изобретения является снижение микробиологического загрязнения гидратируемых биополимеров за счет интенсификации обеззараживания гидратирующей их воды и увеличения содержания синтезируемого в результате кави- тационного воздействия бактерицидного средства - перекиси водорода, а также интенсификация реакций гидратации, результатом которой является увеличение массы биополимеров, за счет увеличения содержания в воде наиболее активного реагента - ее неструктурированной фазы, путем надтеплового разрушения в воде собственной
структуры, образованной водородными связями ее молекул между собой.
сущность изобретения состоит в следующем.
известно, что давление покоя P 0 в кавитационном пузырьке зависит от радиуса покоя этого пузырька RQ, поверхностного натяжения жидкости, плотности паров жидкости и гидростатического давления Pj 1 в ней. реальный порог кавитации в воде и водных растворах составляет для кавитационных пузырьков диаметром более 10 " м ~0,5-10 5 па при гидростатическом давлении 10 5 па, что объясняется низкой плотностью паров воды по сравнению с гидростатическим давлением в ней при равновесном состоянии. с учетом этого, используя уравнение равновесия зародыша кавитационно- го пузырька в жидкости, можно показать, что при различных вариациях параметров, давление покоя в пузырьке в равновесном состоянии, начиная с RQ > 10 '5 м, пренебрежимо мало отличается от гидростатического P 11 . подтверждающая этот вывод зависимость давления внутри пузырька P 0 от его радиуса RQ при в различных начальных равновесных условиях, полученная путем вычислительных экспериментов с моделью ка- витационного пузырька показана на фиг. 3. таким образом, можно гидростатическое давление P h в воде принять в качестве константы, относительно которой устанавливается а.
также известно, что в силу закона сохранения импульса давления, независимо от того четно или нечетно кратна пауза между коллапсами отдельно взятого пузырька периоду акустической волны, при условии, что пауза больше периода, среднее давление, порождаемое кавитационной областью за большое число периодов равно нулю. значит, для каждого P h существует такое значение а, свыше которого плотность выделяемой потенциальной энергии в кавитационном реакторе постоянна. это значение соответствует условию равенства периода осцилляции кавитационного пузырька периоду акустической волны, вызывающей кавитацию. то есть, выбор амплитуды давления из области, в которой находится искомое значение а и все значения, превышающие его, является необходимым и достаточным условием достижения сформулированного технического результата.
это значение найдено путем численного эксперимента по установлению зависимости P tιцш = mах P t от а при атмосферном давлении. результаты эксперимента пока- заны графически на фиг. 4, где пунктирной линией отмечено значение максимума среднего давления при совпадении коллапса с концом периода акустической волны, вызывающей кавитацию. видно, что искомое значение а составляет 5,5Pj 1 .
оптимальная продолжительность процесса кавитационной обработки воды установлена экспериментально путем исследования зависимости содержания в воде неструктурированной составляющей от времени кавитационного воздействия. при этом вода считалась дисперсной системой, средой которой является неструктурированная составляющая, фазой - структурированная. полагалось также, что при температуре парообразования в адиабатических условиях весь объем воды деструктурирован, а в диапазоне температур 0 0 C... +4 0 C вода содержит максимум структурированной фазы. тогда, если зависимость вязкости воды от соотношения объемов фазы и среды подчиняется уравнению эйнштейна-смолуховского, то путем измерения вязкости можно установить процентное содержание неструктурированной воды в общей массе воды, подвергнутой кавитационному воздействию.
для исследования использовался кавитационный реактор, в котором обеспечивалось условие A>5,5Pъ, и реометр вrооkfiеld LVD V-III (Br. епg. Lаb., USA). результаты эксперимента показаны на фиг. 5. асимптотический характер зависимости объясняется равновесным состоянием, устанавливающимся при длительном кавитационном воздействии.
с учетом инструментальной и методической погрешности эксперимента (заштрихованная область) можно принять необходимой и достаточной продолжительностью обработки 8 секунд.
таким образом, в общем случае максимальная производительность процесса при соблюдении условия A≥5,5P h может быть определена как 450 1 Y м 3 /час, где V - объем реактора в м 3 .
технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе гидратации биополимеров, х а р а к т е р и з у ю щ и м с я т е м , что производят обработку воды в кавитационном режиме и смешивают ее с биополимерной массой, при этом обработку воды осуществляют в кавитационном реакторе с амплитудой, вызывающей кавитацию акустической волны не менее чем 5,5Fj 1 , где P h - гидростатическое давление внутри кавитационного реактора и с производительностью не более 450-у м /час, где V - объем кавитационного реактора в м .
краткое описание чертежей
на фиг. 1 показано изменение во времени, выраженном в единицах периода акустической волны T давления P на поверхности одиночного кавитационного пузырька, находящегося в пучности давления волны.
на фиг. 2 приведены функции среднего за время t/т давления P tιф , порождаемого осцилляциями одиночного кавитационного пузырька начальной фазой O=0,75г. кривая 1 COOTBeTCTByCTA=O 5 SPi 1 , а ломаная линия 2 - A=5,5P h .
на фиг. 3 показана зависимость давления внутри пузырька от его радиуса при различных начальных условиях. верхняя группа кривых для P h =IO 5 па, средняя P h =5-10 5 па, нижняя P h =IO-IO 5 па. в группах сверху вниз - поверхностное натяжение 0,10 н/м; 0,05 н/м; 0,02 н/м.
на фиг. 4 показана зависимость P tιfпax от а при атмосферном давлении. пунктирной линией отмечено значение максимума среднего давления при совпадении коллапса кавитационного пузырька с концом периода вынуждающего осциллятора.
на фиг. 5 показана эмпирическая зависимость содержания неструктурированной фазы в воде подвергнутой кавитационной обработке при а = 5,5P 11 и атмосферном давлении в кавитационном реакторе. заштрихована область, соответствующая аппаратной погрешности измерений вязкости воды.
на фиг. 6 в аксонометрии, видом, совмещенньм с разрезом, показана конструкция кавитационного реактора радиусом 35 мм и высотой 215 мм, предназначенного для обработки воды в процессе гидратации биополимеров. чертеж реактора является иллюстрацией к приведенным ниже примерам осуществления изобретения.
вариант осуществления изобретения
предлагаемый способ может быть реализован, как показано в приведенных ниже примерах гидратации биополимеров сырья растительного и животного происхождения.
внутри кавитационного реактора, например, с диаметром внутреннего объема 70 мм и высотой 215 мм (фиг. б) при помощи источника акустических колебаний, состоящего из электроакустического преобразователя 1, акустического волноводного трансформатора 2 и отражателя-резонатора 3, внутри корпуса реактора 4 в воде, пропускаемой сквозь реактор под давлением, например, l,0-10 5 па, устанавливают плоскую стоячую акустическую волну, вызывающую возникновение кавитации. реактор посредством фланцев 5 встроен в водопровод, по которому вода подается для смешивания с биомассой. амплитуду давления акустической волны задают посредством выбора электрической мощности преобразователя в зависимости от среднего значения объемной плотности потенциальной энергии кавитации, рассеиваемой за период вол-
ны, установленного при получении зависимости, изображенной на фиг. 5, которое равно 4,2 доιс/м 3 . если электроакустический кпд процесса составляет 0,8 (с учетом потерь на внутреннее трение в электроакустическом преобразователе 1, волноводном трансформаторе 2 и отражателе-резонаторе 3), то мощность преобразователя должна составлять 3,9 квт. для этой цели подходит, например, BRANSON сопvеrtеr mоdеl 502/932R. при выбранных размерах объем внутреннего пространства реактора составляет 8,4- 10 "4 м 3 . так как производительность не должна превышать 450 " V M 3 /час, где V - объем кавитационного реактора в м 3 , то максимальная производительность процесса равна 377 л/ч.
вода подается во внутренний объем реактора через один из патрубков 6, соединяемый посредством фланца 5 с водопроводом, и выходит через другой. в реакторе под действием рассеиваемой мощности акустической волны в воде возникает кавитация. потенциальная энергия кавитации разрушает оболочки обитающих в ней микроорганизмов. эта же энергия, реализуя механизм трансформации, свойственный химии высоких энергий, надтепловым путем непосредственно воздействует на водородные связи внутри кластеров воды, разрушая их. не связанные между собой водородными связями молекулы воды при смешивании с биополимерной массой гидратируют ее макромолекулы.
кавитационное воздействие также увеличивает химическую активность воды за счет ее диссоциации, сопровождающейся образованием ионов /J 3 O + и OET. эти ионы также принимают участие в синтезе перекиси водорода. образовавшаяся перекись водорода, разлагаясь, в том числе на ферментах и метаболитах микроорганизмов с образованием кислорода и выделением энергии, способствует ускорению взаимодействия воды с биополимерной массой и подавляет активность бактерий.
пример 1. активирование и обеззараживание воды и зерна пшеницы в процессе увлажнения при переработке зерна в муку, сопровождающееся гидратацией белков его клейковины и полисахаридов крахмала, с целью улучшения структурно- механических свойств зерна, увеличения содержания клейковины и уменьшения микробиологического загрязнения.
требовалось увлажнить зерно пшеницы IV типа, содержащее 18,1% сырой клейковины и имеющее влажность 13,7%. увлажнение зерна производили водой при температуре 35 0 C, обработанной по способу, описанному в прототипе, и заявленному.
время изотермической выдержки после увлажнения составляло 8 часов. результаты приведены в таблице 1.
таблица 1
пример 2. активирование и обеззараживание воды и порошка зерен горчицы в процессе экстрагирования из него водорастворимых и эмульгируемых веществ при изготовлении майонеза с целью увеличения выхода экстракта и повышения микробиологической чистоты промежуточного продукта - суспензии горчичного порошка.
порошок зерен горчицы смешивали при температуре 40 0 C с водой, прошедшей обработку в соответствии с прототипом и заявленным изобретением. полученные результаты исследования среды полученной суспензии приведены в таблице 2.
таблица 2
пример 3. активирование и обеззараживание воды в процессе восстановления молока, используемого при изготовлении заменителя цельного молока, для придания продукту натуральных свойств, увеличения массы «cyxoгo вeщecтвa» и обеспечения его микробиологической чистоты.
требовалось получить синтетическое молоко с содержанием протеинов 4,5% из сухого обезжиренного молока (38,5% протеинов), воды и цельного неохлажденного молока с содержанием протеинов 3,0%. приготавливался концентрат, содержащий 23,3% сухого обезжиренного молока и 76,7% обработанной воды. затем концентрат
разбавлялся цельным молоком. вода для приготовления концентрата подвергалась ка- витационной обработке в соответствии с прототипом и заявленным способом. результаты сравнения отражены в таблице 3.
таблица 3
пример 4. активирование и обеззараживание воды для приготовления посолочного рассола в процессе изготовления мясных рубленых формованных полуфабрикатов для придания им сочности, уменьшения потерь массы при термообработке и снижения микробиологических показателей.
готовили фарш из мяса говядины и свинины в соотношении 1:1 и насыщенный раствор соли в воде, прошедшей обработку в соответствии с прототипом и заявленным способом. при посоле фарш смешивали с рассолом в соотношении 1000:76 по массе. результаты сведены в таблицу 4.
таблица 4
из представленных примеров видно, что обработка воды заявленным способом позволяет повысить микробиологическую чистоту конечного продукта.
Next Patent: INFORMATION SERVICE SYSTEM FOR A FARM FIRM USING A PRECISION AGRICULTURE ENGINEERING