УСТАНОВКА ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ ГАЗА КСЕНОНА В ЖИДКИЕ СРЕДЫ

Предлагаемая полезная модель относится к струйной технике и может быть использовано в системах насыщения жидкости газом. Более конкретно, полезная модель относится к устройствам, позволяющим насыщать различные жидкие продукты и средства газообразным ксеноном (или другими газами, включающими газообразный ксенон) до желаемой степени насыщения. Полезная модель может быть использована для производства, например, косметических, гигиенических, фармакологических средств, пищевых продуктов, напитков, высококачественной питьевой воды, БАДов, пищевых добавок, средств нетрадиционной медицины.
В последнее время в мире все большую актуальность приобретает разработка и производство различных продуктов и средств, обогащенных различными необходимыми организму компонентами. К таким компонентам чаще всего относятся витаминно-минеральные комплексы, различные растительные экстракты, химические соединения, имеющие важное значение в метаболизме. Большую популярность получают напитки, обогащенные кислородом. Данные напитки рекомендуются к употреблению в условиях недостатка кислорода в атмосфере, для поднятия общего тонуса организма. Широко известны кислородные коктейли, где газообразный кислород употребляется в виде вспененных составов. Кроме того, традиционно многие напитки насыщают углекислым газом для улучшения вкусовых качеств напитка.
Для насыщения жидкостей углекислым газом применяются различные устройства. В патенте РФ описаны способ и устройство для газирования воды, в котором аппарат для газирования представляет собой сложную многоступенчатую конструкцию, включающую в себя карбонизатор, циркуляционный и импульсный сатураторы [RU 2380146 C2, 2010].
Известна полезная модель, в которой описывается сатуратор для насыщения углекислым газом дефекованного сока [RU 67989 U1, 2007]. В данном случае отличительной особенностью полезной модели является наличие шести полок, на которых, переливаясь с полки на полку, сок образует каскады, сквозь которые движется сатурационный газ, и по мере продвижения вверх он взаимодействует со всем находящимся в сатураторе соком, что позволяет обеспечить процесс сатурации, способствующий максимальной утилизации диоксида углерода (более 90%), равномерному соприкосновению сатурационного газа с поверхностью сока без образования суммарной щелочности, быстрому (до 5 мин) процессу сатурации, минимальному сопротивлению нагнетания сатурационного газа, предотвращению отложений осадка на наклонных противоположно-направленных полках и надежности в эксплуатации. Данную конструкцию можно использовать для насыщения только очень жидких субстанций, которые могут легко переливаться по полкам.
Известна полезная модель, которая предусматривает наличие компрессора, охладителя, резервуара с дозирующей и перепускной полостями, поршня с диском и штоком, сатуратора с распылителем, вторым отсеком, третьим отсеком, смесительной камерой, патрубками [RU 56122 U1, 2006].
Из уровня техники известен также патент РФ, в котором предлагается сатурационная камера с установленным в ней устройством для перемешивания воды. Камера частично заполняется водой, а в оставшийся незаполненным объем этой камеры впускают углекислый газ и включают перемешивающее устройство, время работы которого определяет степень газирования воды [RU 2265477 C2, 2005]. Технический результат состоит в возможности получения различной степени насыщения жидкости газом и проведении насыщения без повышения давления.
Известна установка для введения газообразного кислорода в жидкости [RU 65728 U1, 2007]. Так, для приготовления питьевой воды, насыщенной кислородом, используется установка, содержащая систему водоподготовки и систему насыщения. Система насыщения включает емкость, снабженную патрубками для подачи, отвода жидкости и подачи газа. Емкость подсоединена к замкнутому контуру трубопроводов, к которому дополнительно подсоединен центробежный насос. Система насыщения отличается тем, что нагнетательный трубопровод соединен с насадкой для насыщения воды кислородом, а выходящий патрубок из насадки для насыщения воды снабжен смотровым цилиндром для контроля процесса насыщения и соединен с емкостью в виде цилиндрической камеры, коаксиально установленной внутри аэрационной колонны, которая связана рециркуляционным трубопроводом с всасывающим трубопроводом. По мнению автора, данная конструкция обеспечивает высокую эффективность насыщения воды кислородом.
Известна установка в виде аэратора с пульсатором в виде распределителя, содержащего инжекционную камеру с пористой перегородкой и каналом подвода инжектируемого газа [RU 2351550 C2, 2009]. Пористая перегородка аэратора имеет привод для передачи ей вибрации.
Для производства питьевой воды или безалкогольных напитков, насыщенных кислородом, известен способ введения кислорода в жидкость путем перемешивания их смеси в центробежном насосе [RU 98116606 A, 2000].
Указанные устройства используются для аэрации, где в качестве газа выступает либо воздух, либо кислород, либо углекислый газ, а в качестве насыщаемой среды - вода, либо напитки на основе воды. Техническая новизна этих устройств связана в основном с новым конструкторским решением узлов устройств, таких, как, например, сатуратора, инжектора.
Известно, что в настоящее время наблюдается большой интерес к группе инертных газов, таких как: гелий, аргон, криптон, ксенон. Растворимость газов в жидкостях зависит от ряда факторов: природы газа и жидкости, давления, температуры, концентрации растворенных в жидкости других газов и минералов. Наиболее интересным в этом отношении газом можно считать ксенон, который признан самым эффективным и безопасным анестетиком, но необходимо учитывать то, что ксенон является очень дорогим газом.
Современные исследования, посвященные изучению медико-биологических свойств инертного газа ксенона, свидетельствуют о его высокой терапевтической эффективности [Применение ксенона в медицине. Суслов Н.И., Потапов В.Н., Шписман М.Н. и др., Томск: Изд-во Том. Ун-та, 2009. - 300 с.]. В практике используется ингаляционный способ введения ксенона в организм человека, либо в чистом виде, либо в смеси газов. Исследования состояния организма при ингаляциях ксеноном в качестве лечебного наркоза позволили сделать выводы о высокой эффективности ксенона. Доказаны такие эффекты ксенона: анальгетический, спазмолитический, кардиотонический, нейропротекторный, антистрессовый, антигипоксический, иммуностимулирующий, противовоспалительный, анаболический, нейрогуморальный, вазоплегический. Единственный пока используемый способ введения ксенона в организм, а именно - ингаляционный, несмотря на широкое распространение, имеет недостатки: необходимость специальной аппаратуры, присутствие врачей-анестезиологов.
Поэтому актуален поиск других, альтернативных способов доставки ксенона в организм человека. Известно, что ксенон обладает амфифильностью, т.е. способен растворяться в маслах и в воде. Известны параметры растворимости ксенона в различных жидкостях: в масле - 1,7; в воде - 0,085 [Ксенон в анестезиологии. Буров Н.Е., Потапов В.Н., Макеев Г.Н. Москва, 2000. - 356 с].
Предлагаемая полезная модель направлена на решение проблемы доставки ксенона в организм человека благодаря использованию жидких препаратов, продуктов, средств, в которых растворен газообразный ксенон. И относится к устройствам, позволяющим насыщать различные жидкие продукты и средства ксеноном (или ксеноном с другими газами) до желаемой степени насыщения. Степень насыщения ксеноном может быть от самой минимальной, например 0,1 об.% до максимальной, которая зависит от жидкого вещества, его природы, и условий (температуры, давления, и т.п.) и для каждого вещества различные максимальные концентрации возможны и они указаны в соответствующих справочниках. Например, растворимость ксенона в воде, представленная в таблице, при различной температуре при нормальном атмосферном давлении известна из [Инертные газы, Фастовский В.Г., Ровинский А.Е., Петровский В.Н., Москва, 1972. - 352 с].
Таблица.
Растворимость ксенона в воде при различной температуре при нормальном атмосферном давлении/
Т, °C
0
10
20
30
40
50
60
70
80
мл Xe/л H<sub>2</sub>O
203,2
145,3
108,1
85,4
69,0
57,9
50,0
44,0
40,3
Известна установка приготовления эмульсий и суспензий УПЭС, которая предназначена для приготовления эмульсий и суспензий косметического, пищевого и технического назначения и применяется в качестве технологического оборудования при производстве соусов, кондитерских и косметических кремов, гелей, паст, мазей, препаратов бытовой химии, лакокрасочной продукции, эмульсий и суспензий специального назначения. В составе установки известен насос-гомогенизатор, являющийся одним из ее основных технологических элементов [].
Указанная выше установка как наиболее близкая по технической сущности и результату к предлагаемой полезной модели выбрана в качестве прототипа.
Технической задачей полезной модели явилось создание надежной и одновременно простой установки для контролируемого введения газа ксенона в различные жидкие среды, обеспечивающей растворение и удержание газообразного ксенона в жидких средах за счет эффективным образом используемой технологии гомогенизации при нестандартной компоновке технологических элементов установки.
Введение газа ксенона в различные жидкие среды (продукты, средства, препараты) для их дальнейшего использования в качестве косметических, гигиенических, фармакологических средств, пищевых продуктов, напитков, питьевой воды, БАДов, пищевых добавок, средств нетрадиционной медицины, но не ограничивающимися ими.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что установка для введения газа ксенона в жидкие среды включает реактор-смеситель, по меньшей мере, один гомогенизатор и циркуляционный трубопроводный контур.
Отличительной особенностью предлагаемого установки является то, что она дополнительно содержит весы, на которых размещена емкость для ксенона, а также для контролируемого введения ксенона в жидкую среду последовательно размещенные между емкостью для ксенона и гомогенизатором перистальтический насос и узел подачи ксенона.
Целесообразно, что узел подачи ксенона размещен в непосредственной близости от входа жидкой среды в гомогенизатор.
Кроме того, узел подачи ксенона выполнен в виде, например, трубки, конструктивные параметры которой зависят от размеров системы гомогенизатора.
При этом, контролируемое введение ксенона предусматривает контроль скорости и количества введения ксенона в жидкие среды.
Также то, что в качестве гомогенизатора используют погружной и/или проточный гомогенизатор, или погружной и проточный гомогенизаторы одновременно.
Регулирование потока ксенона в направлении гомогенизатора происходит при помощи регулировочных газовых вентилей.
При этом, жидкая среда представляет собой различные жидкие продукты и средства для их дальнейшего использования в качестве, например, косметических, гигиенических, фармакологических средств, пищевых продуктов, напитков, питьевой воды, БАДов, пищевых добавок, средств нетрадиционной медицины, но не ограничивающимися ими.
Также то, что осуществляют введение в жидкие среды ксенона в составе газообразной смеси при содержании в ней ксенона от 1% до 99 об.%.
Для создания стабильного раствора ксенона в любой жидкой среде необходимо, чтобы атомы ксенона были максимально равномерно распределены в ее объеме. Для этого необходимо создать условия формирования как можно более полного контакта атомов ксенона с молекулами конкретной жидкости. Известно, что суммарная площадь поверхности мелких пузырьков во много раз больше площади поверхности одного пузырька газа одинакового объема. Поэтому на первом этапе процесса необходимо вводить ксенон в жидкую среду в виде микропузырьков при одновременном интенсивном перемешивание их со средой в целях обеспечения наиболее полного контакта микропузырьков ксенона с молекулами жидкой среды. Создание микропузырьков и условий наиболее полного контакта таких микропузырьков ксенона с молекулами среды возможно при использовании серийных проточных гомогенизаторов-эмульсификаторов, широко используемых в производстве различных пищевых и косметических эмульсий. Лучшие образцы выпускаемых промышленностью гомогенизаторов, предназначенных для производства эмульсий, позволяют проводить быстрое и равномерное измельчение компонентов эмульсии до частиц минимальных размеров в несколько микрометров и их тщательное перемешивание до состояния гомогенной по составу стабильной эмульсии. При этом сам гомогенизатор действует как насос, засасывая жидкие продукты в свою центральную часть, и выталкивая их через периферические отверстия уже измельченными и перемешанными.
Для решения данной задачи в качестве основы использовали оборудование для производства косметических эмульсий, которое включает реактор-смеситель с внутренней мешалкой и два гомогенизатора. Один гомогенизатор - проточный (вынесенный), второй - в составе реактора-смесителя. В рабочей области гомогенизатора по оси ротора происходит засасывание жидких продуктов в зону гомогенизатора, где происходит продавливание со сдвигом жидкого продукта через фиксированные отверстия с микрозазором в системе ротор/статор с регулируемой скоростью вращения ротора. При этом происходит равномерное измельчение всех компонентов, попадающих в гомогенизатор с одновременным интенсивным их перемешиванием. Величина зазора между ножами ротора и отверстиями статора и скорость вращения ротора в основном определяют степень измельчения компонентов. При необходимости, подобные гомогенизаторы используются и для приготовления суспензий нерастворимых компонентов, где требуется тонкое измельчение и равномерное перемешивание.
Новым техническим решением в установке является наличие узла подачи ксенона конструктивно выполненного, например, в виде трубки, для подвода газа строго в ту область гомогенизатора, через которую происходит засасывание жидких продуктов в рабочую зону гомогенизатора. Конструкция узла подачи ксенона и его расположение выполняется таким образом, чтобы обеспечить подачу всего количества газа без рассеивания именно в область измельчения и перемешивания гомогенизатора. Конструкция узла подачи ксенона (например, диаметр трубки, ее перфорация) также зависят от размеров системы ротор/статор гомогенизатора.
3
Использование перистальтического насоса в магистрали подачи газа обеспечивает максимально точный контроль за скоростью введения газа и количеством его расхода. Манометр, вмонтированный в крышку реактора-смесителя, показывает давление внутри реактора-смесителя. В процессе растворения газа давление не меняется, пока вводимый газ способен растворяться в жидкости. Повышения давления показывает момент окончания процесса растворения газа в жидкости. Весы, на которых находится баллон с ксеноном, фиксируют изменения веса. Известная плотность ксенона (5,89 кг/м) позволяет рассчитать общий расход газа в процессе. Представленная схема введения ксенона позволяет проводить введение газа при нормальном и повышенном давлении. При наличии термостатируемой рубашки реактора-смесителя можно вести данный процесс при различной температуре. Использование только одного из обозначенных гомогенизаторов, или обоих сразу зависит от поставленных задач. Регулирование потока газа в направлении гомогенизаторов происходит при помощи регулировочных газовых вентилей.
Предлагаемая установка иллюстрируется чертежом, представленным на фигуре.
Установка (фиг.) включает термостатируемую емкость (реактор-смеситель 1) с внутренней рамочной мешалкой 9, снабженной герметичной крышкой 2 с манометром 3, узел подачи ксенона 4, регулирование потока ксенона осуществляют при помощи регулировочных газовых вентилей 5, размещенных на трубопроводах перед узлом подачи ксенона 4, весы 6, на которых размещена емкость для ксенона 7 (или для ксенона в составе газообразной смеси) с понижающим редуктором 8, а также погружного 10, проточного 11 гомогенизаторов и перистальтического насоса 12 для контроля за скоростью и количеством введения ксенона. Объем реактора-смесителя 1 может быть от минимального, например 10 мл, до максимального, например 1000 л и более.
Работа установки осуществляется следующим образом.
В реактор-смеситель определенной емкости 1 помещают жидкую среду при перемешивании из емкости для ксенона (или для ксенона в составе газообразной смеси) 7 с понижающим редуктором 8. Затем в зависимости от введения ксенона в определенную жидкую среду включают погружной и/или проточный гомогенизатор, или погружной и проточный гомогенизаторы одновременно и одновременно вводят ксенон (или ксенон в составе газообразной смеси) через узел подачи ксенона 4 при помощи перистальтического насоса 12 с определенной скоростью. Регулирование потока ксенона осуществляют при помощи регулировочных газовых вентилей 5. При достижении давления внутри реактора-смесителя 1 значения, показывающего окончание процесса растворения газа в жидкости и контролируемого манометром 3, прекращают процесс подачи газа ксенона и выключают гомогенизатор 10, 11 и мешалку 9. Весы 6, на которых находится емкость для ксенона 7, фиксируют изменения веса газа. По окончании процесса насыщения, поднимают крышку 2 реактора-смесителя 1 и сливаем насыщенную ксеноном жидкость в приготовленную емкость.
Пример 1.
Приготовление питьевой воды с ксеноном с использованием одного проточного гомогенизатора.
В процессе введения газа ксенона в качестве жидкой среды использовалась обычная коммерческая питьевая вода без газа (BONAQUA) при температуре 18-20°C. В реактор-смеситель (10 л) добавляется чистая питьевая вода при перемешивании. Далее включаем проточный гомогенизатор и одновременно вводим ксенон через трубку при помощи перистальтического насоса со скоростью 0,2 л/мин. При достижении давления внутри реактора-смесителя до 0,1 МРа прекращаем процесс подачи газа и выключаем гомогенизатор и мешалку. По окончании процесса (через 8 минут) насыщения, поднимаем крышку реактора-смесителя и сливаем насыщенную ксеноном воду в приготовленную емкость. Концентрация ксенона в образцах воды была проверена хроматографическим методом в лаборатории ООО «Медксенон» (г.Москва) и составила 114 мл ксенона в 1 л воды. В данных условиях проведения процесса (температуре, давлении) это составляет максимальную растворимость ксенона в воде (см. таблицу).
В следующих примерах конкретного выполнения измерение концентрации ксенона в жидких продуктах разработчики проводили методом газовой хроматографии, на хроматографе Agilent 7890А.
Пример 2.
Процесс введения ксенона в косметическую эмульсию.
Для насыщения сложных композиций в виде эмульсий, гелей и других многофазных жидкостей обычно используется погружной гомогенизатор.
Введение ксенона может быть осуществлено либо во время гомогенизации, либо в любой компонент в жидком состоянии, который используется в рецептуре в каждом конкретном случае.
В данном примере рассмотрен вариант введения ксенона в сложную многофазную композицию во время смешивания и гомогенизации, следующего состава: вода, масло оливковое (20%), загуститель/эмульгатор RM 2051 (натрия полиакрилат и диметикон и циклопентасилоксан и тридецет-6 и ПЭГ/ППГ-18/18 диметикон).
В реактор-смеситель (10 л) при перемешивании добавляется масло оливковое, загуститель эмульгатор RM 2051, затем дистиллированная вода. Далее включаем погружной гомогенизатор и одновременно вводим ксенон через трубку при помощи перистальтического насоса со скоростью 0,5 л/мин. При достижении давления внутри реактора-смесителя до 0,1 МРа прекращаем процесс подачи газа и выключаем гомогенизатор и мешалку. По окончании процесса (через 12 минут) насыщения, поднимаем крышку реактора-смесителя и сливаем насыщенную ксеноном эмульсию в приготовленную емкость. Содержание ксенона в полученной эмульсии составило 677 мл ксенона на 1 л эмульсии. Учитывая содержание масла в эмульсии и коэффициент растворимости ксенона в масле 1,7 при 37°C [Ксенон в анестезиологии. Буров Н.Е., Потапов В.Н., Макеев Г.Н. Москва, 2000. - 356 с.], мы имеем практически максимальную концентрацию ксенона в эмульсии.
Пример 3.
Процесс введения ксенона в пищевую эмульсию в несколько этапов.
Рассмотрим введение ксенона в многофазную композицию на примере майонеза по известной рецептуре: масло подсолнечное рафинированное (70%), яичный порошок, горчичный порошок, сахар, уксус 5%, соль, взятые в известных соотношениях) с использованием проточного и погружного гомогенизаторов.
Сначала готовится масляная фаза. 7 л масла добавляется в реактор-смеситель, включаем проточный гомогенизатор и одновременно вводим ксенон через трубку при помощи перистальтического насоса со скоростью 1,5 л/мин. При достижении давления внутри реактора-смесителя до 0,1 МРа прекращаем процесс подачи газа и выключаем гомогенизатор и мешалку. По окончании процесса (через 18 минут) насыщения, поднимаем крышку реактора-смесителя и сливаем насыщенное ксеноном масло в приготовленную емкость. Затем, в реактор-смеситель добавляем остальные компоненты путем смешивания с помощью мешалки. Включаем погружной гомогенизатор, и начинаем осторожно добавлять масло с ксеноном в реактор-смеситель. Одновременно вводим ксенон через трубку при помощи перистальтического насоса со скоростью 0,1 л/мин. После окончания добавления масла, герметизируем крышку, и при достижении давления внутри реактора-смесителя до 0,1 МРа прекращаем процесс подачи газа и выключаем гомогенизатор и мешалку. По окончании процесса (через 25 минут) насыщения, поднимаем крышку реактора-смесителя и сливаем насыщенный ксеноном майонез в приготовленную емкость. Насыщенный таким образом майонез содержит не менее 2500 мл ксенона на 1 л эмульсии.
Пример 4.
2
Приготовление зеленого чая со смесью газов Xe/O=50/50 с использованием одного проточного гомогенизатора.
Использовался холодный зеленый чай при температуре 18-20°C. В реактор-смеситель (10 л) добавляется водный настой зеленого чая при перемешивании. Далее включаем проточный гомогенизатор и одновременно вводим газовую смесь ксенон/кислород через трубку при помощи перистальтического насоса со скоростью 0,2 л/мин. При достижении давления внутри реактора-смесителя до 0,1 МРа прекращаем процесс подачи газа и выключаем гомогенизатор и мешалку. По окончании процесса (через 10 минут) насыщения, поднимаем крышку реактора-смесителя и сливаем насыщенный газовой смесью ксенон/кислород зеленый чай в приготовленную емкость. Изменение веса баллона с газовой смесью ксенон/кислород показало расход газовой смеси в объеме 980 мл. Сравнение расхода смеси газов с их содержанием в зеленом чае показало, что практически вся газовая смесь была растворена в зеленом чае.
Пример 5.
2
Приготовление молока со смесью газов Xe/O=70/30 с использованием двух гомогенизаторов одновременно.
В технологии использовали молоко, жирностью 3,7% при температуре 18-20°C. В реактор-смеситель (10 л) добавляется молоко при перемешивании. Далее включаем проточный и погружной гомогенизаторы и одновременно вводим газовую смесь ксенон/кислород через обе трубки при помощи перистальтического насоса со скоростью 0,3 л/мин. При достижении давления внутри реактора-смесителя до 0,1 МРа прекращаем процесс подачи газа и выключаем оба гомогенизатора и мешалку. По окончании процесса (через 5 минут) насыщения, поднимаем крышку реактора-смесителя и сливаем насыщенное газовой смесью молоко в приготовленную емкость. Изменение веса баллона с газовой смесью ксенон/кислород показало расход газовой смеси в объеме 1260 мл. Сравнение расхода смеси газов с их содержанием в молоке показало, что практически вся газовая смесь была растворена в молоке.