Определение оптимального кавитационного режима для обеззараживания сырной сыворотки

УДК 66-963

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО КАВИТАЦИОННОГО РЕЖИМА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ СЫРНОЙ СЫВОРОТКИ

М. И. Елисеев, Ю. А. Фатыхов, Т. Людкевич

DETERMINING THE OPTIMUM CAVITATION MODE FOR DISINFECTION OF CHEESE WHEY

M. I. Eliseev, Ju. A. Fatykhov, T. Lyudkevich

Применен новый метод низкотемпературной пастеризации и стерилизации пищевой жидкости, основанный на явлении кавитации. Разработан и создан экспериментальный стенд, оборудованный современными цифровыми датчиками с преобразованием сигнала на модули управления и регулирования. Описан принцип работы стенда и приведена блок-схема установки. Проведено исследование на экспериментальной кавитационной установке, средой для испытаний определена водопроводная вода. При возбуждении кавитации изучено влияние таких параметров, как среднеквадратичное ускорение, акустическая эмиссия, пульсации давления в зоне обработки. Определены номинальные значения динамического давления в рабочей камере кавитатора. Установлено влияние изменения геометрического строения кавитатора на параметры кавитационного воздействия. Приведен чертеж продольного сечения гидродинамического кавитатора прямоточного типа. Описаны конструкция кавитирующего элемента и материалы, из которых изготовлены составные части кавитатора. Произведен анализ и дана оценка зависимостей исследуемых параметров от диаметра кавитирующего элемента. Для того чтобы обеспечить высокий уровень обеззараживания жидкости, необходимо производить кавитационную обработку при некоторых оптимальных режимах, которые нами определяются на основании исследования сигналов, излучаемых из кавитационной камеры. Выбраны, исходя из анализа, режимы для микробиологических испытаний. Проведен эксперимент на пищевой жидкости методом низкотемпературной кавитационной обработки. Эксперимент проходил при температуре не выше 40°C с фиксацией характеризующих параметров. Приведены результаты экспериментальных исследований по обеззараживанию сырной сыворотки за счет кавитационной обработки в проточном гидродинамическом кавитаторе. Показано, что бактерицидный эффект кавитации зависит от степени интенсивности кавитации и числа циклов обработки.

кавитация, кавитатор, влияние параметров, давление, жидкость, воздействие

The authors of the article have applied a new method of low-temperature pasteurization and sterilization of food liquor, based on cavitation effect. An experimental stand has been designed, equipped with modern digital sensors with signal

conversion in control and regulation modules. Operating principle of the stand is described and a block diagram of the installation is provided. A study has been undertaken on the experimental cavitation installation with water being a test environment. The influence of the following parameters have been studied when launching cavitation: RMS acceleration, acoustic emission, pressure pulsation in the treatment area. Defined are the nominal values of the dynamic pressure in the processing chamber of the cavitator. The effect of changes of the geometric structure of the cavitation attack parameters has been determined. We have introduced a drawing of the longitudinal section of the hydrodynamic cavitator of continuous-flow type. The design is described of the cavitating element and the materials from which the main components of the cavitator components are made. An analysis has been carried out and the evaluation has been given of the dependence of the investigated parameters on the diameter of the cavitating element. In order to ensure a high level of fluid disinfection, it is necessary to do cavitation treatment at optimal conditions, which have been determined from the analysis of the signals emitted from the cavitation chamber. On the basis of the analysis, we have selected the modes for microbiological testing. An experiment on food liquor has been conducted using the method of a low-temperature cavitation treatment. The experiment took place at a temperature not higher than 40°C with recording of specific parameters. The results of experimental studies on the decontamination of cheese whey by means of cavitation treatment in a liquid-flow hydrodynamic cavitator are presented. It is shown that the bactericidal effect of cavitation depends on the degree of the cavitation intensity and the number of treatment cycles.

cavitation, cavitator, effect of parameters, pressure, fluid, impact

ВВЕДЕНИЕ

Решение проблемы здорового питания человека является одной из важнейших задач современности. Продукты переработки пищевых жидкостей как нельзя более отвечают требованиям полноценного питания. В связи с этим возникает необходимость в создании нового принципа их обработки, позволяющего рационально использовать все ценные компоненты при существенном сокращении затрат на производство.

Именно поэтому в практике молочного производства значительное внимание уделяется внедрению прогрессивных приемов и высокопроизводительного оборудования с целью повышения эффективности использования молока при его переработке. Одной из перспективных технологий, обеспечивающих значительную интенсификацию производственных процессов и открывающих широкие возможности для низкотемпературной пастеризации либо стерилизации, является кавитационная обработка жидкости [1-5].

Под кавитацией понимают процесс образования в жидкости парогазовых каверн вследствие разрыва сплошности из-за неспособности выдерживать растягивающие напряжения. То есть если создать такие условия, при которых давление понизится до давления насыщенного пара, то в жидкости образуются парогазовые каверны или пузырьки, соотношение содержания газа и пара в полости которых может быть различным - теоретически от нуля до единицы. В зависимости от концентрации пара или газа в полости их называют паровыми

или газовыми. Образовавшиеся микроскопические пузырьки схлопываются. Это явление носит название «синпериодическая кавитация» - процесс одновременного возникновения и схлопывания парогазовых пузырьков. Понижение давления в жидкости до давления насыщенного пара можно осуществить, например, за счет местного снижения давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела (гидродинамическая кавитация) или прохождении через жидкость акустических колебаний (акустическая кавитация) [6].

Цель данной статьи - с помощью экспериментальной установки определить режим низкотемпературной обработки пищевой жидкости, при котором показатель степени обеззараживания продукта будет максимальным. Режим выбирается исходя из анализа показателей исследуемых параметров.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Задача по обеззараживанию пищевой жидкости состоит в том, чтобы организовать многократное движение жидкости через зону кавитации с возможностью разделения обработанного потока от необработанного. С этой целью была создана 2-контурная схема установки (рис. 1), включающая в себя: 1 - насос; 2 - эжектор; 3 - кавитационный генератор; 4 - гидроцентрифугу; 5-блок охлаждения; 6 - кран-регулятор; 7 - анализатор размера частиц; 8 - байпас.

Рис. 1. Блок схема установки Fig. 1. Block-diagram of the installation

Работает установка следующим образом.

Главный насос 1 подает жидкость с определенной скоростью в генератор кавитации 3 (далее - кавитатор). В соответствии с законом Бернулли при резком увеличении скорости движения жидкости происходит падение давления. Когда оно уменьшается до давления насыщенного пара, происходит разрыв сплошности жидкости с образованием множества микропузырьков. То есть поток становится двухфазным. Дальнейшее уменьшение скорости движения приводит к росту давления и, соответственно, к схлопыванию пузырьков с выделением разрушительной энергии (наноэксплозия).

Принципиально важно, что, не меняя схему агрегата, возможно изменять количество кавитаторов в генераторе кавитации, тем самым изменяя производительность устройства. Кроме того, в данном устройстве предусмотрен электронный контроль уровня кавитации с применением кавитометра.

После генератора кавитации жидкость поступает в гидроцентрифугу 4. Это устройство работает по аналогии с серийно выпускаемыми бактофугами. То есть при высокой угловой скорости (порядка 1500 - 2000 об/мин), с учетом массы единиц микрофлоры (значительно превышающих массу единиц жидкости), за счет центробежных сил происходит разделение потока на обработанный и необработанный. Необработанный поток через систему охлаждения 5 возвращается на повторную обработку. Блок охлаждения 5 необходим для избежания нагрева продукта в процессе обработки.

Обработанный поток проходит через кран-регулятор 6 и анализатор размера частиц 7 на выход. Работа анализатора размеров частиц основана на том, что частицы жидкости имеют линейные размеры значительно меньше единиц микрофлоры. При этом анализатор 7 в постоянном режиме контролирует размер частиц жидкости и при наличии в ней частиц размером более определенных размеров (а это и есть микрофлора) дает сигнал на кран-регулятор 6 через компьютер на уменьшение (до полного выключения) выхода готового продукта, увеличивая тем самым число его прохождений через зону кавитации.

Таким образом, осуществляется контроль качества на выходе и управление агрегатом. При этом параметры работы всего устройства могут подстраиваться под параметры обрабатываемого продукта в зависимости от его свойств [7].

Нами проведено исследование данной замкнутой системы на влияние изменения давления в рабочей камере на эксплозию кавитационного пузыря и определены значения акустической эмиссии и пульсаций давления в зоне обработки в зависимости от диаметра кавитирующего элемента.

Кавитатор (рис. 2) представляет собой трубу диаметром 50 мм, в которой находится кавитирующий элемент цилиндрической формы с коническим наконечником для обеспечения наименьшего гидравлического сопротивления потоку. На цилиндрической части элемента нарезаны канавки глубиной 2 мм, что приводит к повышению сдвиговых усилий в потоке. По обе стороны элемента расположены диффузоры с разным углом наклона. Диаметр в зоне посадки кавитирующего элемента составляет 28 мм, поэтому, чтобы число кавитации не выходило за рамки единицы, были созданы три элемента диаметрами 25,5; 26,0; 26,5 мм. За кавитирующим элементом находится рабочая камера, изготовленная из боросиликатного стекла, для визуального наблюдения за процессом возбуждения кавитационных пузырей и их схлопывания.

Рис. 2. Продольное сечение кавитатора Fig. 2. Longitudinal section of the cavitator

Устройство оборудовано измерительными приборами и системой контроля параметров с преобразованием сигнала на компьютер с получением графической интерпретации экспериментальных зависимостей.

Исследование проводилось на трех кавитирующих элементах разного диаметра, что увеличивало либо уменьшало входное сечение в кавитатор и выход из него. Изменение давления в рабочей камере, где происходит схлопывание кавитационных пузырьков, производилось с помощью регуляционного затвора (22). Для повышения давления в рабочей камере в большей степени, чем это возможно с помощью регуляционного затвора, использовался компрессор.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Все операционные показатели, связанные с изменением давления в рабочей камере и изменением диаметра кавитирующего элемента, представлены в табл. 1, 2.

Таблица 1. Основные операционные показатели и показатели диагностической экспериментальной установки с кавитатором

Table 1. Key operational figures and indicators of the diagnostic experimental installation with the cavitator

Номер п/п Q T P1 P2 P3 Аср Ap.p ЕАср EAp-p Арор aPp-p

л/с °C кПа кПа кПа м/с2 м/с2 mV mV кПа кПа

D = 25,5 мм; n = 3000 об/мин; водопроводная вода

1 19 1903,0 107,0 114,0 0,42 3,97 8,68 108,7 0,39 1,81

2 27 1897,0 130,2 113,4 0,37 3,54 8,44 100,0 0,61 2,87

D = 25,5 мм; n = 3000 об/мин; водопроводная вода

3 3,41 18 1901,6 112,1 113,6 0,44 4,19 8,51 100,7 0,42 1,87

4 3,37 23 1894,0 139,4 113,5 0,40 3,77 8,49 99,6 0,44 1,98

5 3,31 26 1888,8 160,3 113,5 0,38 3,59 8,59 97,2 0,47 2,27

6 3,41 31 1891,4 172,6 113,6 0,33 3,05 8,48 90,3 0,47 2,21

Окончание табл. 1

Номер п/п Q T P1 P2 P3 Аср Ap-p ЕАср EAp-p Дрср ДР^

л/с °C кПа кПа кПа м/с2 м/с2 mV mV кПа кПа

D = 25,5 мм; n = 3000 об/мин; водопроводная вода; работа с комп эессором

7 3,43 20 1964,0 175,8 183,1 0,37 3,44 7,92 83,5 0,42 1,86

8 3,43 23 1959,5 229,6 185,6 0,35 3,37 7,79 75,5 0,40 1,75

9 3,43 1958,0 225,9 188,3 0,36 3,44 7,84 84,0 0,41 1,79

10a 3,47 31 1949,6 227,4 191,0

D =25,5 мм; n = 1500 об/мин; водоп роводная вода

10 6,41 20 0,08 0,91 7,13 71,9 0,72 0,88

Обозначение параметров: Q - расход; Т - температура жидкости; P1 - давление перед кавитатором; Р2 - давление в рабочей камере; Р3 - давление на входе в насос; Аср - среднее значение ускорения (5-30 кГц); Ар-р - максимальное значение ускорения между амплитудами сигнала (5-30 кГц); ЕАср - среднее значение сигнала акустической эмиссии ЕА (100-900 мГц); ЕАр-р - максимальное значение между амплитудами сигнала ЕА (100-900 мГц); Дрср - среднее значение пульсаций давления (50-500 кГц); Дрср - максимальное значение между амплитудами сигнала (50-500 кГц).

Таблица 2. Основные операционные показатели и показатели диагностической экспериментальной установки с кавитатором

Table 2. Key operational figures and indicators of the diagnostic experimental installation with the cavitator

Номер п/п Q T p1 p3 p4 Аср Ap-p ЕАср EAp-p Дрср ДР^

л/с °C кПа кПа кПа м/с2 м/с2 mV mV кПа кПа

D =26,0 мм; n = 3000 об/мин; водопроводная вода

13 2,70 17,7 2034,9 104,4 112,3 0,25 2,32 12,26 269,5

14 2,73 21,0 2021,2 130,8 112,0 0,23 2,14 12,43 272,4

15 2,73 25,0 154,8 112,1 0,23 2,05 13,20 291,4

16 2,75 27,0 2014,0 186,8 112,0 0,22 1,98 13,39 293,7

D =26,0 мм; n = 3000 об/мин; водопроводная вода; забота с компрессором

17 2,73 21,0 2065,7 150,2 158,2 0,23 2,05 11,50 255,2

18 2,73 22,0 2062,0 177,8 155,2 0,21 1,92 12,01 267,0

19 25,0 2057,3 217,4 154,6 0,22 1,98 12,15 267,2

D =26,0 мм; n = 3600 об/мин; водопроводная вода

21 3,00 18,2 2425,1 104,5 112,3 0,27 2,37 12,00 267,0 0,80 4,26

22 2,96 24,0 2410,0 130,7 112,4 0,26 2,28 12,27 243,1 0,85 4,57

23 2,97 30,0 2403,0 163,3 112,7 0,25 2,22 12,01 235,3 0,85 4,57

Окончание табл. 2

Номер п/п 0 T Pi P3 P4 Аср Ар-р ЕАСр EAp-p Арср аРр-р

л/с °C кПа кПа кПа м/с2 м/с2 mV mV кПа кПа

D =26,5 мм; n = 3000 об/мин; водопроводная вода

24 2,00 18,5 2086,0 103,2 112,2 0,15 1,33 10,42 214,5 0,76 4,06

25 2,00 19,0 2081,5 125,1 112,2 0,16 1,39 11,84 254,0 0,76 4,06

26 2,04 25,0 2071,3 153,7 112,2 0,15 1,32 11,59 247,0 0,83 4,47

27 2,08 30,0 2066,6 178,7 112,2 0,15 1,35 11,83 256,6 0,84 4,48

Чтобы определить подходящие режимы для микробиологических испытаний, нужна оценка значений установленных параметров. С помощью таблиц с параметрами можно найти максимальные значения каждого из них и сделать усредненные предположения о рекомендации проведения испытаний того или иного режима на пищевой жидкости.

Рассмотрены и изучены параметры по табл. 1, 2. Выбрано по одному наиболее подходящему режиму для каждого диаметра кавитирующего элемента. Определение режима исходило из максимальных значений одного из исследуемых параметров. Если значений максимальных было несколько, то бралось усредненное значение всех исследуемых параметров.

Для диаметра элемента 25,5 мм выбран режим №3 по максимальному значению среднеквадратичного ускорения. Для диаметра элемента 26 мм рекомендован режим №15 по усредненным значениям и максимальным показателям расстояния между амплитудами сигнала акустической эмиссии. Для диаметра кавитирующего элемента 26,5 мм выбран режим №27 по максимальным средним значениям пульсаций давления.

Для проведения эксперимента в качестве пищевой жидкости использовалась сырная сыворотка, так как по физическим свойствам она близка к воде (плотность, вязкость и т.д.).

При проведении эксперимента в замкнутой системе объемом 80 л с кавитатором прямоточного типа были поочередно установлены параметры для каждого из режимов. При смене кавитирующих элементов разных диаметров время прохождения полного цикла меняется. Время обработки для каждого режима исходило от количества циклов. Так как обработка должна быть низкотемпературной, то процесс кавитационной обработки не превышал 40°С.

Все применяемые параметры для каждого режима при испытании на пищевой жидкости приведены в табл. 3.

Таблица 3. Основные показатели при испытании на сырной сыворотке

Table 3. Key figures when tested on cheese whey

Показатели Ед. измерения Режим

№3 №15 №27

Количество циклов 15 10 10

Время с 345 280 440,5

Окончание табл. 3

Показатели Ед. измерения Режим

№3 №15 №27

D мм 25,5 26,0 26,5

Ti °C 21,5 30,1 33,9

T2 °C 28,4 34,9 39,9

Pi кПа 1749,9 1994,4 2109,7

P2 кПа 105,6 155,8 171,7

P3 кПа 113,2 113,6 115,1

Р2-Р3 кПа -7,6 42,2 56,6

Ap_p 3,207 2,135 2,017

ЕАСр mV 12,62 12,55 12,25

EAp-p mV 193,4 184,2 190,2

Арор кПа 0,790 0,766 0,792

App-p кПа 4,952 4,721 5,105

На каждом режиме взяты нулевая и конечная пробы. Образцы отправлены на микробиологическую экспертизу на показатель КОЕ. Результаты показаны в табл. 4.

Таблица 4. Показатели КОЕ сырной сыворотки после кавитационной обработки Table 4. CFU figures of cheese whey after cavitation treatment_

Показатели Ед. измерения Режим

№3 №15 №27

Проба 0

Температура °C 21,5 30,1 33,9

Содержание микроорганизмов jtk/g 4,00E+03 4,90E+03 9,10E+03

Проба 1

Температура °C 28,4 34,9 39,9

Содержание микроорганизмов jtk/g 4,40E+03 7,90E+03 6,40E+03

Потери % -10,00 -61,22 29,67

Из табл. 4 видно, что обеззараживание произошло на параметрах режима №27. При обработке жидкости в течение 10 циклов достигается почти 30%-ная инактивация микрофлоры сыворотки. В этом режиме наблюдается максимальный показатель пульсаций давления в рабочей зоне.

ВЫВОДЫ

Гидродинамическая кавитационная обработка находится на начальной стадии внедрения в пищевую промышленность. Перспективы этой технологии позволяют выйти на новый уровень в области индустрии обработки пищевой жидкости, получить более качественный продукт без примеси посторонних добавок. Такие системы занимают меньшие габариты и обеспечивают эффективную энерго- и ресурсосберегающую обработку продукта. Для сырной сыворотки установлены рациональные параметры кавитационной обработки, значительно снижающие обсемененность продукта.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Промтов, М. А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов / М. А. Промтов // Вестник ТГТУ, 2008. - С. 861.

2. Федоткин, И.М. Использование кавитации в технологических процессах / И. М. Федоткин, А. Ф. Немчин. - Киев: Высшая школа, 1984. - 68 с.

3. Федоткин, И. М. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности. / И. М. Федоткин, И. С. Гулый. - Киев: ОКО, 2000. - Ч. II. - 898 с.

4. Витенько, Т. Н. Механизм активирующего действия гидродинамической кавитации на воду / Т. Н. Витенько, Я. М. Гумницкий // Химия и технология воды. - 2007. - Т. 29, № 5. - С. 422-432.

5. Young F.R. Cavitation. London, U.K. : Imperial College Press, 1999. - 418 p.

6. Кондратьева, А. В. Новые технологии обработки молочной продукции (на примере молока коровьего питьевого) / А. В. Кондратьева [и др.] // Молодой ученый. — 2013. — №10. — С. 146-149.

7. Елисеев, М. И. Исследование влияния кавитационной энергии на различные виды микрофлоры / М. И. Елисеев, Ю. А. Фатыхов // IV Международный Балтийский морской форум: материалы. - Калининград: ФГБОУ ВО «КГТУ», 2016. - С.1219 - 1223.

REFERENCES

1. Promtov M. A. Perspektivy primeneniya kavitatsionnykh tekhnologiy dlya intensifikatsii khimiko-tekhnologicheskikh protsessov [Prospects of cavitation technologies for intensification of chemical-engineering processes]. Vestnik TGTU, 2008, 861 p.

2. Fedotkin I. M., Nemchin A. F. Ispol'zovanie kavitatsii v tekhnologicheskikh protsessakh [The use of cavitation in technological processes]. Kiev, Vysshaya shkola, 1984, 68 p.

3. Fedotkin I. M., Gulyy I. S. Kavitatsiya, kavitatsionnaya tekhnika i tekhnologiya, ikh ispol'zovanie v promyshlennosti. Ch. II [Cavitation, cavitation technique and technology, their use in industry. Part II]. Kiev, OKO, 2000, 898 p.

4. Viten'ko T. N., Gumnitskiy Ya. M. Mekhanizm aktiviruyushchego deystviya gidrodinamicheskoy kavitatsii na vodu [Mechanism activating hydrodynamic cavitation of water]. Khimiya i tekhnologiya vody, 2007, vol. 29, no. 5, pp. 422-432.

5. Young F. R. Cavitation. London, U. K.: Imperial College Press, 1999, 418 p.

6. Kondrat'eva A. V. Novye tekhnologii obrabotki molochnoy produktsii (na primere moloka korov'ego pit'evogo) [New processing technology of dairy products (an example of cow's drinking milk)]. Molodoy uchenyy, 2013, no. 10, pp. 146-149.

7. Eliseev M. I., Fatykhov Yu. A. Issledovanie vliyaniya kavitatsionnoy energii na razlichnye vidy mikroflory [Study of the effect of cavitation energy for various types of flora]. Materialy IVMezhdunarodnogo Baltiyskogo morskogo foruma [Proceedings of the IV International "Baltic Maritime Forum"]. Kaliningrad, KGTU, 2016, pp.1219 -1223.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Елисеев Максим Игоревич - Калининградский государственный технический университет; аспирант кафедры пищевых и холодильных машин;

E-mail: Fox_eliseev@mail.ru

Eliseev Maksim Igorevich - Kaliningrad State Technical University; Post-graduate student of the Department of food and refrigeration machines;

E-mail: Fox_eliseev@mail.ru

Фатыхов Юрий Адгамович - Калининградский государственный технический

университет; доктор технических наук, профессор; зав. кафедрой пищевых и холодильных машин; E-mail: elina@klgtu.ru

Fatykhov Yuri Adgamovich - Kaliningrad State Technical University; Doctor of engineering, Professor; Head of the Department of food and refrigeration machines;

E-mail: elina@klgtu.ru

Людкевич Томаш - Институт гидродинамических машин им. Роберта Шевальского (Гданьск, Польша); аспирант кафедры кавитационной обработки;

E-mail: Tludkiewicz@gmail.com

Lyudkevich Tomash - Institute of Fluid Flow Machinery Roberta Shevalskogo (Gdansk,

Poland); Post-graduate student of the Department of cavitation treatment;

E-mail: Tludkiewicz@gmail.com