Аппараты для обработки жидкостей ионизирующим облучением

      С развитием использования атомной энергии за последние пятнадцать лет созданы важнейшие предпосылки для введения новой технологии в пищевую промышленность. В настоящее время ведется огромное количество работ по применению ионизирующей радиации для консервирования пищевых продуктов.

      Современный уровень знаний дает основание предположить, что поражение микроорганизмов ионизирующей радиацией происходит в результате двух видов ее воздействия - непосредственного и косвенного.

      При непосредственном воздействии поражение клетки осуществляется путем одной или нескольких ионизаций ее жизненно важных частей.

      При косвенном воздействии происходит радиолиз воды, содержащейся в продуктах питания, в результате чего обычно образуются свободные радикалы, на базе которых возникают соединения, опасные для организма, например Н₂О₂. Токсичные субстанции, подобные перекиси водорода, могут проникать в клетку и ослаблять ее жизненные функции до полного смертельного поражения.

      В идеальном случае существует строго линейное соотношение между дозой облучения и количеством уничтожаемых бактерий. Этот закон справедлив до 90–95% поражения микроорганизмов. Однако наблюдаются и другие закономерности поражения бактерий.

      Опыты показали, что для достижения 100%-й инактивации требуется увеличение дозы облучения в 3 – 4 раза по сравнению с 99,7 – 99,9%-й. Наиболее устойчивыми к воздействию ионизирующей радиации являются спорообразующие бактерии, которые достаточно легко удаляются из таких жидкостей, как молоко, при помощи центрифугирования. Вообще, сочетание воздействия ионизирующей радиации с другими способами стерилизации дает возможность получать стерильный продукт при более мягких режимах обработки.

Рис. 28. Влияние окружающей среды на радиочувствительность микроорганизмов: 1 - в физиологическом растворе; 2 - в молоке; 3 - в гороховом пюре

      Необходимо заметить, что радиочувствительность любых микроорганизмов в большей степени зависит от среды, в которой они облучаются. Это видно из графика, представленного на рис. 28, где по оси абсцисс отложена доза облучения, а по оси ординат – количество выживших микроорганизмов. Такое положение необходимо учитывать при разработке соответствующей аппаратуры.

      Дозы облучения, необходимые для уничтожения бактерий, во многих продуктах вызывают изменения органических свойств в результате распада жиров, белков, углеводов, красящих веществ и т. д. Особенно заметны такие изменения в молоке. Они наступают при дозе облучения около 10⁵  рэф, в то время как для достижения абсолютной стерилизации молока необходима доза 2,4 × 10⁶ рэф(99,7%-я инактивация достигается дозой 1,6 ×10⁵ рэф, а 99,9%-я 8,5 ×10⁴ рэф). Таким образом, полная стерильность молока может быть достигнута ценой существенных изменений его органических свойств.

      Для сохранения по возможности первоначальных свойств пищевых продуктов, стерилизуемых ионизирующей радиацией, существуют следующие меры:

      - предупреждение образования свободных (несвязанных) радикалов (например, с помощью замораживания или сгущения продуктов);

      - отделение образующихся свободных радикалов (например, путем облучения в присутствии инертных газов);

      - дистилляция летучих вкусовых молекул.

      Л. П. Ковальская исследовала режимы стерилизации гамма-лу-чами компотов из различных плодов и ягод (земляники, вишни, яблок и др.). Опыты показали, что стерилизующими дозами являются дозы порядка 1,5–2 млнрад - для компотов; 1,2–1,5 млн рад - для овощных консервов и 0,6–0,8 млн рад - для маринадов.

      При таких дозах облучения в стерилизующих продуктах возможны необратимые изменения. Подобных изменений не наблюдается при меньших дозах радиации, например 500 тыс. рад, но при этом не достигается полная стерильность продукта [11].

      В связи с этим интересны данные У. Д. Брегвадзе, подвергавшего облучению три сорта яблочного сока, грушевый, апельсиновый, персиковый и мандариновый соки.Так, он установил, что для достижения полной стерильности яблочного сока удобнее всего производить облучение его дозой 500 тыс. радв присутствии сорбиновой кислоты концентрацией 50 мг/л (0,050 мг/см³). Полная инактивация грушевого и персикового соков может быть достигнута при 1 млн рад и 50 мг/л сорбиновой кислоты. У. Д. Брегвадзе отметил, что интенсивность окраски соков понижалась примерно на 25% вследствие некоторых необратимых реакций красящих веществ. Установлено также, что достижение полной стерильности соков при указанном способе обработки сопровождается разложением витаминов, однако после такой стерилизации соки содержат витаминов не меньше, чем после стерилизации теплом.

      Основными источниками ионизирующего облучения в пивной промышленности являются кобальт-60 и цезий-137. Кобальт-60 излучает два вида g-лучей: мощностью 1,13 и 1,33 Мэв. Цезий-137 излучает лучи 0,66 Мэв(Мэв = 1,6 × 10⁶ эрг = 1,6 ×  дж = 4,45 ×  кВт×ч; 1 кВт × ч = 2,25 × 10¹⁹ Мэв). Выбор типа источника излучения производят с учетом толщины и плотности облучаемого продукта, а также минимальной достаточной дозы радиации.

      Часто сочетают облучение с другими видами стерилизации, что в еще большей степени дает возможность снижать дозу облучения.

      Ниже (рис. 29) [11] показано проникновение ионизирующих лучей в воду (по оси абсцисс отложено расстояние от поверхности до источника облучения, а по оси ординат - максимальная ионизация).

      Стерилизация посредством облучения имеет ряд преимуществ перед другими способами обезвреживания:

      - очень незначительный расход стерилизующего вещества;      

- простота в обслуживании;

      - отсутствие отложений типа пригара, вследствие чего обеспечивается постоянство производительности в течение всего срока работы аппарата;

      - многомесячная работа аппарата в период между перезарядками его стерилизующим веществом.

 

Рис. 29. Проникновение ионизирующих лучей в воду:
1 – 2 Мэв; 2 – 20 Мэв; 3 – g-лучи кобальта-60;
4 - g-лучи цезия-137

      Такие установки не требуют расхода пара, а электроэнергия необходима лишь для работы насосов. Если обеспечить работу насосов от неэлектрических двигателей (что вполне реально), то эти установки окажутся просто незаменимыми для районов с дорогой тепловой и электрической энергией.

      Довольно простой по конструкции аппарат (рис. 30) для облучения текущих сред предложил Моррис [11]. Весь аппарат состоит из трех основных частей: источника излучения 1, змеевика 3 и насоса 2. Плоский змеевик выполнен из тонкостенных металлических труб прямоугольного сечения, плотно примыкающих друг к другу. Жидкость, подлежащая облучению, прогоняется через змеевик с помощью насоса. Необходимая доза облучения обеспечивается требуемым для этого временем прохождения жидкости через змеевик. Это время, естественно, связано с количеством проходящей внутри змеевика жидкости и его длиной. Изменение дозы облучения может быть достигнуто проще всего путем вариации расхода облучаемой жидкости.

      Если один и тот же аппарат предназначается для облучения разных жидкостей с различной необходимой дозой облучения, то змеевик

необходимо выполнять из нескольких последовательно соединенных при помощи кранов отрезков труб.

 

Рис. 30. Трубчатый аппарат для стерилизации ионизирующей радиацией:
1 - источник излучения;
2 - насос; 3 - змеевик

 

Рис. 31. Аппарат для стерилизации  молока методом облучения

      Аппарат с вращающимся диском для стерилизации молока методом облучения был разработан и испытан в Массачусетском технологическом институте (США). При конструировании аппарата учитывались следующие требования: непрерывность процесса, легкость мойки и стерилизации, предупреждение коррозии, проникновение электронных лучей и удаление привкуса. Необходимая энергия электронов создавалась главным электрическим ускорителем мощностью 0,8 Мэв. Такое облучение молока в тонком слое (около 2 мм) обеспечивало стерильность продукта.

      Аппарат, сконструированный для производства стерильного сгущенного молока (рис. 31), свободного от привкуса, состоит из трех основных частей: камеры облучения 1, испарителя 2, в котором привкусы удаляются асептической дистилляцией под вакуумом и молоко стандартизуется до требуемой степени сгущения, и камеры асептического взятия пробы 3. В камере облучения имеется вращающийся диск 4, на который непрерывно поступает тонкий слой сгущенного молока. Слой молока передвигается с помощью диска через пучок электронных лучей со скоростью, которая необходима для стерилизации и стекания молока в испаритель.

      Молоко, подлежащее облучению, подается под давлением стерильного азота через стерильную резиновую трубку 2 и калиброванный ротаметр на вращающийся диск. Молоко поступает в паз на наружном крае диска глубиной 2 мм и шириной 15 мм. Диск диаметром 205 мм, изготовленный из никелированного алюминия, вращается со скоростью 1,33 об/мин внутри никелированного медного кожуха. Кожух покрыт газонепроницаемым листовым алюминием, имеющим отверстие 3 (51´51 мм), которое закрыто алюминиевой фольгой и расположено непосредственно над проходящим слоем молока, подвергающемся облучению. В процессе облучения наружная поверхность отверстия находится в 152 мм от трубки 5 электронного усилителя. Слой молока находится на расстоянии 191 мм от электронной трубки. Диск, приводимый в движение с помощью электродвигателя, проносит молоко через пучок электронных лучей к гибкому скребковому ножу 1, изготовленному из полимерного материала тайгон, который направляет молоко с диска через никелевую трубку 4, трубку из тайгона 6 и стерильную вату 7 в испаритель 8.

      Камера облучения поддерживается в горизонтальном положении с помощью уравнительных винтов, хорошо экранирована свинцовыми пластинами и листами и смонтирована на передвижной установке.

 

Аппараты для обработки жидкостей ультразвуком [11]

      В 1904 г. С. Северин впервые открыл, что в основе бактерицидного действия колебаний жидкости лежит разрушение клеточных структур гидромеханическими силами. С 1927 г. во многих странах ведутся попытки использовать это явление для уничтожения микроорганизмов, обитающих в пищевых жидкостях.

      Чемберс и Гейнс экспериментально установили логарифмический закон выживания микроорганизмов в поле ультразвуковых колебаний. Этот закон выражается формулой 

N _t = N ₀ e ^{- k t},

где N _t - количество выживших микрорганизмов; N ₀ - их начальное количество; t - время ультразвуковой обработки; k - коэффициент.

      Н. Е. Резник раскрыл смысл коэффициента и аналитически показал, что

- k = lg(1 - l₁)/Dt,

где l₁ = q / Q; Q - весь объем обрабатываемой жидкости; q - обрабатываемая жидкость.

      Он также показал, что логарифмический закон выживания, открытый экспериментально Чемберсом и Гейнсом, является не чем иным, как законом прохождения микроорганизмов через зону эффективной обработки ультразвуком при установившейся в аппарате циркуляции, и что этот закон в равной степени может быть применен и к частицам неживой природы.

      Н. Е. Резник установил, что время, необходимое для стерилизации, зависит от целого ряда факторов следующим образом:

 

             t = Dt [lg (1-l₂) - lg (1-l₁) + lg (N ₀ - N_x)/ N ₀] / lg (1-l₂),   (31)

 

где N_x - количество убитых микроорганизмов; l₂ = q / Q - (1-x) q; x - коэффициент смещения, показывающий, какая доля обработанной жидкости q, отнесенная ко всему оставшемуся объему Q - q, возвращается в зону эффективной обработки в каждый момент времени Dt.

      В случае x = 1 имеем

 

                                  t = Dt [lg (N ₀ - N_x)/ N ₀] /lg(1-l₁).                      (32)

 

      Анализ формул (31) и (32) позволяет сделать вывод, что в аппарате периодического действия невозможно добиться полной стерилизации жидкости, так как N_x = N ₀ и t = ¥. Для аппарата непрерывного действия время обработки конечно и равно

 

                                                  t = Dt × N_x / N ₀l₁.                                                 (33)       

 

      Таким образом, для достижения полной стерильности продукта его необходимо обрабатывать на поточном аппарате, где обработанная жидкость не смешивается с необработанной.

      Далее (рис. 32) представлена зависимость числа выживших микроорганизмов от времени ультразвуковой обработки.

      Н. Е. Резник сконструировал поточный аппарат для ультразвуковой обработки молока с целью его стерилизации. Схема такого аппарата представлена на рис. 33.

      Результаты испытаний аппарата с целью определения его производительности привели к формуле

 

Q = ,

     

где R = (  lg (r _макс/ r _мин)/(r _макс/ r _мин - 1) – фактор, способствующий диспергированию; q – (h (g₁ – g)/j²g²) – фактор, от которого зависит диспергируемость пищевой жидкости; h – вязкость жидкости; j – коэффициент формы микроорганизмов. С = 1/165,6 – опытный коэффициент.

Рис. 32. Зависимость числа выживших микроорганизмов N 0- Nх от времени ультра-звуковой обработки: 1 – уравнение (31); 2 – уравнение (32);   3 – уравнение (33)

Рис. 33. Схема поточного ультразвукового пастеризатора  Н. Е. Резника

      Установлено, в том числе и более поздними исследованиями, что ультразвуковые колебания в зависимости от их частоты и мощности могут либо убивать микроорганизмы, либо, наоборот, способствовать делению клеток и их размножению. При высокой степени дезинтеграции частицы клеток теряют жизнеспособность в естественных условиях, а при незначительной – сохраняют ее.

      Для выживания дезинтегрированных и травмированных в поле интенсивных колебаний клеток важное значение имеют условия, в которые они попадают после ультразвуковой обработки. Сочетание ультразвуковой обработки с другими видами пастеризации или стерилизации дает возможность гарантировать стерильность продукта при более мягких режимах обработки.

      По данным Н. Е. Резника, для пастеризации одного килограмма молока только ультразвуком достаточно израсходовать 3–3,2 кВт×мин энергии.       

Аппараты для пастеризации пищевых жидкостей
 в центробежном поле [11]

 

      Сравнительно недавно в Дании был предложен способ обезвреживания молока путем его обработки в центробежном поле. Такое выделение микроорганизмов вполне возможно благодаря некоторой разнице удельного веса молока и микроорганизмов.

      В настоящее время лабораторные исследования этого вопроса ведутся во многих странах, а шведская фирма “Альфа Лаваль” выпускает уже промышленное оборудование для бактериофугирования молока. В качестве установок для бактериофугирования многократно испытывались трубчатые центрифуги и тарельчатые сепараторы. Результаты испытаний были хорошие.

      Различные микроорганизмы удаляются из молока по-разному. Одни легко, а другие с большим трудом. Это зависит от удельного веса микроорганизмов, их размеров и формы.

      А. Лембке сгруппировал микроорганизмы по увеличивающейся скорости их выделения следующим образом. Отдельные клетки: кокки, короткие палочки, дрожжи. Колонии: диплококки, стрептококки, стрептобактерии, стафилококки, кучкующиеся скопления.

      Процесс бактериофугирования молока в трубчатых центрифугах обстоятельно обследовали В. Д. Сурков и Г. Шмидт. Они показали, что зависимость между результатом центрифугирования и начальной концентрацией бактерий может быть выражена прямой линией вида

 

y = kx + C,

 

где коэффициент k и константа С зависят от производительности центрифуги.

      При некоторых условиях обработки можно удалить из воды на трубчатой центрифуге до 95% микроорганизмов.

      Значительно большее число работ посвящено бактериофугированию молока на тарельчатых центрифугах. В результате исследований доказано, что такой способ очищения молока может быть эффективно использован на практике, причем в некоторых случаях из молока удается выделить до 99% микроорганизмов. Это весьма заманчивая перспектива, ибо при тепловой обработке молока также достигается бактерицидное действие 99,9%, но одновременно наблюдаются некоторые физико-химические изменения молока и, кроме того, в нем остаются все погибшие микроорганизмы.

      Более других в области исследования процесса бактериофугирования преуспевают П. Симонарт, А. Лембке и В. Д. Сурков. Они установили, что для получения максимального бактерицидного действия необходимо развивать ускорение на тарельчатых центрифугах до 20 000 g и более.

      На степень очистки молока от микробов кроме ускорения влияет также и температура обрабатываемого молока. Результаты таких исследований при 28 000 g, проведенных А. Лембке, приведены в табл. 3.

      Из табл. 3 видно, что повышение температуры обрабатываемого молока способствует лучшему выделению микроорганизмов. Такое явление, вероятно, можно объяснить значительным уменьшением вязкости молока (при нагревании от 5 до 70°С она уменьшается почти в 5 раз). Это свойство используют на практике, сочетая тепловую обработку молока с обработкой в центробежном полу. Так, например, А. Лембке утверждает, что пастеризация молока при температурах 61–74°С с последующим бактериофугированием при ускорении 30 000 g дает возможность выделить 99,99% микроорганизмов. П. Симонарт добился таких же результатов при пастеризации до температуры 75°С и двукратном центрифугировании.

Таблица 3

 

Температура молока, °С

Содержание в молоке микроорганизмов, %

До обработки на центрифуге

5

100

После обработки на центрифуге

5	99,00
15	98,00
30	95,00
40	78,00
50	49,00
60	3,00
70	0,01

 

      В настоящее время тепловая и механическая обработка молока осуществляются по разнообразным схемам. В некоторых случаях молоко после подогрева в секции регенерации тепла пластинчатой пастеризационной установки подают на центрифугу. Из центрифуги оно направляется в пастеризатор, и далее процесс осуществляется как обычно.

      Исследованиями П. Симонарта и его сотрудников установлено, что легче всего на центрифуге удаляются споровые бактерии. Это дает возможность значительно снизить температуры последующей тепловой стерилизации, так как известно, что режим стерилизации обратно пропорционален степени зараженности стерилизуемого продукта.

      В настоящее время в некоторых странах работают установки, сочетающие последовательно несколько способов обезвреживания пищевых жидкостей. На рис. 34 представлена схема установки для стерилизации молока, сочетающая пастеризацию в пластинчатом аппарате, пастеризацию в центробежном поле, стерилизацию в контакте с паром, вакуумное охлаждение и охлаждение в пластинчатом аппарате.

      Сырой продукт с помощью насоса направляется в пластинчатый аппарат 2; нагревается до 81–82°С, после чего обрабатывается в двух центробежных пастеризаторах 3, где выделяется до 99% бактерий, главным образом спорообразующих. В центрифугах продукт охлаждается приблизительно на 15°С, поэтому его температура вновь доводится до 81–82°С в следующем пластинчатом аппарате 2. Затем с помощью насоса высокого давления продукт подается в эжекторную камеру 7, где нагревается до 138°С паром, поступающим через паровой регулирующий клапан 6, и выдерживается 3–4 с в выдерживателе 10. Далее продукт охлаждается во второй вакуумной камере 9 до 81–82°С и после гомогенизации в гомогенизаторе 11 – в пластинчатом охладителе 12.

 

Рис. 34. Установка для стерилизации молока комбинированным способом

 

      В случае нарушения режима стерилизации продукт через клапан 8 из эжектора направляется в первую вакуум-камеру 9, где охлаждается, и насосом 1 по трубе 5 возвращается в сборник 4 для второй повторной тепловой обработки во втором пластинчатом пастеризаторе 2 и стерилизаторе 7.

      Обработанный данным способом продукт, немедленно расфасовывается в пакеты тетра-пак. Такой способ тепловой и механической обработки жидкостей обеспечивает возможность получения продукта значительно более высокого качества и стойкости, чем после обычной пастеризации.