Гидродинамическая кавитация как метод интенсификации процесса озонирования в пищевых технологиях

УДК 628.166:644

Ф. М. Гимранов, А. Н. Беляев, И. В. Флегентов,

А. С. Суслов

ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ КАВИТАЦИЯ КАК МЕТОД ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ОЗОНИРОВАНИЯ В ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Ключевые слова: гидродинамическая кавитация, озонирование, концентрация озона, синергетический эффект.

Приведены результаты исследований по интенсификации процесса озонирования, используемого в пищевых технологиях, гидродинамической кавитацией. Выявлено увеличение эффективности процесса озонирования в случае его использования с гидродинамической кавитацией, что дает возможность использования меньших концентраций озона в технологиях обработки воды. Установлено, что интенсивность кавитационных процессов является определяющим фактором при оценке эффекта от комплексного их использования с озонированием.

Keywords: hydrodynamic cavitation, ozonation, ozone concentration, synergistic effect.

The results of studies on intensification of ozonation process used in food technology, hydrodynamic cavitation. An increase in the efficiency of ozonation in the case of use of hydrodynamic cavitation, which makes it possible to use lower concentrations of ozone in water treatment technologies. It is established that the intensity of the cavitation process is the determining factor in assessing the effect of an integrated use of ozonation.

Одной из основных проблем для пищевых технологий является проблема дезинфекции. Выбор метода дезинфекции является чрезвычайно важным, поскольку он напрямую влияет на вкусовые и другие качества продукции и срок ее хранения.

Озон, как эффективный окислитель, обладает уникальными дезинфицирующими свойствами и прекрасно соответствует задачам, решаемым пищевой промышленностью. В результате обработки озоном образуются лишь окислы и кислород, чем и отличается от других реагентов. Благодаря озону возможны новые технологические решения, позволяющие увеличить сроки хранения пищевой продукции.

На сегодняшний день озонирование является, пожалуй, наиболее перспективным, безвредным и универсальным способом комплексной подготовки воды для объектов общественного питания и пищевых производств. Озонирование воды позволяет:

- убрать металлы и их соединения путем получения высших оксидных форм;

- избавиться от органических и неорганических соединений (нитриты, аммиак, хлор, мышьяк, нефтепродукты, фенолы и т. д.) [1];

- уничтожить все микроорганизмы и возбудителей заболеваний;

- устранить неприятные запахи и привкусы;

- получить насыщенный цвет воды при полном отсутствии замутнений.

Все это позволяет получить воду с отличными вкусовыми параметрами, что, прежде всего, сказывается на уровне качества и полезности выпускаемой продукции. Одновременно установлено, что применение очищенной воды в разы увеличивает ресурс задействованных в производстве технологического оборудования и их элементов, контактирующих с водой (нагревателей, бойлеров, трубопроводов и других), вследствие уменьшения коррозии, образования накипи и т.д.

С точки зрения обеззараживающего действия известно, что озон в 15-20 раз, а на споровые формы бактерий примерно в 300-600 раз сильнее действия

хлора [2]. Отмечается высокий вирулицидный эффект озона, а также высокая способность в уничтожении различных видов патогенных микроорганизмов.

Основной сдерживающей проблемой в продвижении озонирования в пищевой отрасли является относительно высокая стоимость реализации метода. Различные производители называют стоимость получения озона от 2 до 10 тыс. руб. за грамм. Даже для крупного производства это может существенно поднять стоимость выпускаемой продукции.

Решением проблемы может стать поиск новых путей интенсификации процесса подготовки воды, обеспечивающих снижение концентрации озона в воде с одновременным сохранением эффективности обработки.

Известно, что качество и результат озонирования во многом определяются эффективностью процесса смешения газа с обрабатываемой водой и дальнейшей продолжительностью их контакта. Для интенсификации процесса смешения и улучшения диффузии озона используются различные устройства, позволяющие увеличить площадь контакта газа с водой. К наиболее распространенным таким устройствам относят: смесители, колонны, заполненные гранулированным материалом; механические турбины; гидравлические эмульгаторы; контакторы с разбрызгиванием жидкости; фильтросные трубы; пористые диски [3].

В последнее время достигнуты определенные успехи в разработке принципиально новых конструкций смесителей. Рассматривая тенденций развития смесительного оборудования, можно отметить, что все большее распространение находят идеи использования для интенсификации процессов смешения новых физических эффектов и явлений. Среди таких процессов наибольший интерес представляет гидродинамическая кавитация (ГДК).

Повышение эффективности процесса смешения ГДК позволило выделить отдельное направ-

ление в развитии смесительного оборудования. Промышленная эксплуатация кавитационных смесителей показала, что их применение позволяет интенсифицировать процессы смешения в 2-3 раза. Кавитационные смесители имеют КПД в два раза больше, чем ультразвуковые аппараты аналогичного назначения [4]. Они просты по конструкции, удобны в обслуживании и надежны в работе. Большинство кавитационных смесителей легко вписывается в уже существующие технологические линии, и могут быть изготовлены с минимальными затратами.

В Вятском государственном университете проведен ряд исследований, направленных на возможность интенсификации процесса озонирования ГДК. В работе использовался статический проточнокавитационный реактор оригинальной конструкции, представленный в патенте [5]. Режимы обработки воды в комплексе с конструкцией позволяют получить кавитацию максимальной интенсивности для устройств данного типа.

Необходимо было оценить эффективность биоцидного действия от совместного использования озонирования и ГДК.

Озонирование осуществлялось посредством прибора «Озон-5», изготовленного в ОАО ЭМСЗ «Лепсе» (г.Киров), имеющего производительность 5г О3/ч. Подача газа осуществлялась непосредственно в зону кавитации, где происходит самый интенсивный процесс парообразования воды. В результате смешение процесс массообмена осуществляется в системе «газ-газ», что, безусловно, более эффективно в сравнении с процессом в системе «газ-жидкость» изза максимально высокой поверхности контакта фаз.

Оценка биоцидного эффекта проводилась с участием микроводоросли хлореллы (Chlorella vulgaris Beijer) и современного комплекса «Цито-Эксперт» разработанного и производимого НТУ «Инженернотехнический центр», г. Ижевск.

В технологии комплекса заложен клеточный микроэлектрофорез, основанный на оперативном измерении заданной величины, пропорциональной эффективному электрическому заряду живых клеток в однородном переменном электрическом поле. Обработка электрофоретического воздействия проводится в автоматическом режиме с помощью программного пакета NTUComplex. Комплекс включен в реестр средств измерений медицинского назначения. Погрешность определения основных электрокинетиче-ских показателей при экспресс-контроле токсичности воды на микроводоросле хлореллы составляет по данным разработчиков 10-15% [6].

При выборе исходных концентраций озона учитывался практический опыт работы озонаторных станций, участвующих в водоподготовке. Средняя его концентрация в озоно-кислородной смеси при обеззараживании воды согласно проведенному анализу составила 8^9 мг/л.

Для снижения количества опытов при проведении экспериментов с дорогостоящим озонированием были выбраны две концентрации озона 6,6 и 9 мг/л. Для получения биоцидного эффекта отобранные про-

бы выдерживались в течении 30 мин. Результаты исследований представлены в таблице и на рис. 1-4. Таблица 1 - Результаты экспериментальных исследований по оценке биоцидного действия озонирования (О3) и ГДК

Вид воздействия .4 - 2 = о з о л з о п Время выдержки, мин. Среднее количество объектов

Всего в том числе

с разрывом неподвижных

Оз 9,0 30 480 418 17

Оз+ГДК 6,6 30 579 477 40

9,0 30 231 149 32

Анализ полученных данных позволил наблюдать увеличение эффективности процесса озонирования в случае его использования с ГДК на 43,0% при концентрации озона 6,6 мг/л и на 42,3% -при 9,0 мг/л.

Данный процент выявлен по количеству неподвижных клеток и складывается из биоцидного действия самой кавитации, не превышающего 15%-го уровня, и наблюдаемого синергетического эффекта. Было установлено, что доля синергетического эффекта значительна и составляет 15^30%.

Кроме того, эксперименты не показали существенных изменений между влиянием на клетки хлореллы различных концентраций озона. Средний процент неподвижных клеток при различных концентрациях практически равный. Такая же небольшая разница между количеством клеток с разрывом. Следовательно, общее количество поврежденных клеток существенно не изменяется, что дает право предположить о возможности использования меньших концентраций озона для процесса обеззараживания при совместном их использовании с ГДК.

Анализ процентного изменения количества клеток с разрывом при различных концентрациях косвенно подтверждает выводы об определяющем значении интенсивности кавитационных процессов при оценке синергетического эффекта, сделанные в аналогичных опытах с хлорированием [7] и ультрафиолетовым обеззараживанием [8]. В случае с озонированием данный вывод обусловлен большей долей количества клеток с разрывом при меньшей концентрации озона: 82,3% - при 6,6 мг/л; 64,5% -при 9,0 мг/л.

Г и стограмма ам плитуд коле&аний

......................................................

10 11 12 13 1* 15 16 17 18 19 2) 21 22 25 24 25 26 27 28 Н 50 51 32 В 3* 55 36 37 3 33 40

Амплитуда, мкм,

Рис. 1. - Гистограмма распределения амплитуд колебаний клеток в исходной пробе

Гистограмма амплитуд колебанш

Рис. 2 - Гистограмма распределения амплитуд колебаний клеток при озонировании с концентрацией 9,0 мг Оз/л

Г и стограмма ам плитуд колебаний

Рис. 3 - Гистограмма распределения амплитуд колебаний клеток при озонировании с концентрацией 6,6мг Оз/л и ГДК

При наблюдении изменения параметра амплитуды колебаний, характеризующего активность не поврежденных клеток, можно отметить наличие смещения большего процента амплитуд колебаний клеток к зоне с наименьшими их значениями, что представляет-

ся логичным при любом биоцидном воздействии. Однако, в случае комплексной обработки воды заметно увеличивается доля клеток двигающихся с небольшой амплитудой от 0 до 10 мкм, что также может свидетельствовать о положительной роли кавитации в данном процессе.

Гистограмма амплитуд колебаний

Рис. 4 - Гистограмма распределения амплитуд

колебаний клеток при озонировании с концентрацией 9,0 мг Оз/л и ГДК

Литература

1. Интенсификация очистки сточных вод фосфатов в биологических очистных сооружениях/ Т.П. Павлова, Л.Ф. Галанцева, С.В. Фридланд//Вестник Казанского технологического ун-та. - т. 14, № 18, 2011.-с. 130-134.

2. Фрог, Б.Н. Водоподготовка: учеб. пособие для вузов / Б.Н. Фрог.- М.: Издательство МГУ, 2001. - 680 с.

3. Орлов, В.А. Озонирование воды. / В.А. Орлов.- М.: Стройиздат, 1984. - 88с.

4. Мачинский, А.С. Кавитационные смесители: тем. обзор / А. С. Мачинский, О. В. Козюк, Д. Н. Шишлов -М.:ЦНИИТЭнефтехим, 1990. - 52 с.

5. Патент №2445272 Российская Федерация 9МПК9 С 02 Е 1/34. Способ обеззараживания воды синергетическим воздействием / Беляев А.Н., Флегентов И.В.; заявитель и патентообладатель Беляев А.Н., Флегентов И.В.-№2010141209: заявл. 07.10.2010; опубл. 20.03.2012. - 6 с.

6. Методические рекомендации для пользователей комплекса «Цито-Эксперт». - Ижевск: Изд-во НТУ «Инженерно-технический центр», 2009. - 29 с.

7. Беляев А.Н. Оценка эффективности использования гидродинамической кавитации при хлорировании воды / А.Н. Беляев, И.В. Флегентов, А. С. Суслов // Глобальный научный потенциал.- 2012.- №4.

8. Флегентов И.В. Поиск путей интенсификации промышленных методов бактерицидной обработки воды / И.В. Флегентов, Б.И. Дегтерев, А.Н. Беляев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук: спецвыпуск «Безопасность. Технологии. Управление».-Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2007.- с. 17-20.

© Ф. М. Гимранов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной безопасности КНИТУ, expert-92@mail.ru; А. Н. Беляев -канд. техн. наук, доц. каф. промышленной экологии и безопасности Вятского госуд. ун-та, belyaev@gmail.com; И. В. Флегентов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной экологии и безопасности Вятского госуд. ун-та; А. С. Суслов - преп. каф. той же кафедры.