УСТАНОВКА СВЧ-СУШКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МЯСОКОСТНОГО ФАРША
UNIT FOR MICROWAVE DRYING AND DISINFECTION OF MEAT-AND-BONE MINCE

Установка может использоваться для СВЧ-обработки мясокостного фарша от любой начальной до заданной конечной влажности при проведении сушки и обеззараживания продукта.
Учитывая, что структура мясокостного фарша позволяет сформировать поток, практически любой ширины и толщины, для его СВЧ-обработки могут быть использованы камеры, создающие условия для достижения наивысших КПД процесса и коэффициента использования мощности. Известно /Н.Я.Фельдман. СВЧ-камеры проходного типа и их применение в установках электромагнитной обработки материалов. «Современная электроника», 2009, №8/, что к числу таких камер относится камера, базирующаяся на прямоугольном волноводе и обеспечивающая прохождение через нее обрабатываемого материала через осевую плоскость стенки «а» волновода, то есть в максимуме электромагнитного поля. Поэтому именно такая камера принята за основу данной установки.
Известно /СВЧ-энергетика, под ред. Э.Окресса. М., Мир, 1971, т.2, с.183-202/, что последовательное соединение СВЧ-камер, расположенных на едином транспортере, позволяет, практически, полностью использовать мощность СВЧ-генераторов, повышая тем самым КПД установки, в целом.
Недостатками устройства являются:
- в нем используются волноводные камеры, предусматривающие перпендикулярный оси волновода ввод в них потока материала, что резко ухудшает условия согласования в камере, то есть увеличивает потери за счет возрастания отраженной мощности и требует введения в установку ферритового вентиля для согласования СВЧ-генератора;
- в нем предусматривается ввод потока материала в систему последовательно соединенных камер через первую, подсоединенную к СВЧ-генератору камеру, что приводит к снижению воздействующей на материал СВЧ-мощности в ходе процесса.
Задачей предлагаемого изобретения является создание СВЧ-установки, обеспечивающей возможность реализации в ней закона изменения воздействующей на материал мощности СВЧ-электромагнитных колебаний, оптимального для решения обеих ее задач /сушка и уничтожение микроорганизмов/ в течение одного прохода потока материала через установку. Это обеспечивает повышение производительности установки, снижение удельных энерго- и трудозатрат.
o
погл
пад
погл
пад
Оптимальность закона изменения воздействующей на материал мощности определяется, в первую очередь, требованиями к мощности, выдвигаемыми необходимостью уничтожения микроорганизмов. Известно /Рогов И.А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. М., 1988, с.184-185, табл.5.4/, что, хотя и в настоящее время нет единого мнения по механизму этого явления, результаты экспериментальных исследований показывают, что при всех равных условиях /равная продолжительность воздействия, т.е. равная энергия СВЧ-электромагнитных колебаний/ выживаемость бактерий /как кишечной палочки, так и стафилококков/ при СВЧ-нагреве в импульсном режиме ниже, чем в непрерывном. Отсюда, напрашивается вывод, что, помимо значимости СВЧ-энергии, большое значение имеет абсолютное значение воздействующей мощности /в импульсном режиме мощность в импульсе выше мощности в непрерывном режиме/. При этом необходимо учитывать, что электромагнитная энергия, непосредственно соприкасающаяся с микроорганизмом или с их совокупностью определяется не только подаваемой на обрабатываемый материал СВЧ-энергией, но и степенью поглощения этой энергии материалом. Известно /Рогов И.А. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов. М., 1986, табл.2.19/, что диэлектрическая проницаемость костной ткани при низком содержании воды, в диапазоне СВЧ низка /ε=5,6/, а в мясокостном фарше кость составляет 70% всей массы фарша, т.е. в сухом фарше или фарше, содержащем малое количество воды /W=5-10%/, поглощение электромагнитной энергии обрабатываемым материалом незначительно. Между тем, как при большом содержании в нем воды /W=40%/, учитывая, что вода имеет ε=80, значительная часть энергии поглощается материалом, а с микроорганизмами взаимодействуют ее остатки. /В проведенных в Новосибирской лаборатории микроволновой энергетики экспериментальных сушках мясокостного фарша, в одной и той же волноводной СВЧ-камере, при постоянных: объеме фарша, его конфигурации и расположении в камере, поглощение мощности СВЧ-колебаний частоты 915 МГц сырым фаршем - /W=35%/ составляло Р=0,87 Р, а при достижении им влажности W=5-10% Р=0,25 Р/.
Отсюда, вытекает очевидный вывод: СВЧ-установка должна обеспечить вначале сушку мясокостного фарша, используя для этих целей остатки мощности электромагнитных колебаний, обеспечивающих уничтожение микроорганизмов и досушку фарша в предыдущей партии его потока (фиг.2) и только по достижении необходимой конечной влажности обработать материал предельным в данной установке уровнем СВЧ мощности, но позволяющим инактивировать присутствующие в фарше микроорганизмы.
Решение этой задачи достигается тем, что установка СВЧ-сушки и обеззараживания мясокостного фарша, характеризующаяся тем, что она содержит СВЧ-генераторы, каждый из которых соединен с цепочкой последовательно соединенных волноводами СВЧ-камер, размещенных на едином транспортере, при этом каждая камера на входе и выходе из нее потока обрабатываемого фарша оснащена поглотителями энергии паразитного излучения, а на волноводных входе первой и выходе последней камер - отверстиями для удаления пара и двумя детекторными головками, удаленными друг от друга на нечетное число четвертей длины волны в волноводе. При этом ввод потока влажного фарша в установку осуществляется через последнюю в каждой цепочке СВЧ-камеру, т.е. камеру, запитываемую мощностью СВЧ-колебаний наименьшего в каждой цепочке уровня, а выход потока готового продукта - через камеры, запитываемые непосредственно от СВЧ-генераторов.
Рассматриваемая система обеспечивает последовательное проведение двух процессов: процесса сушки мясокостного фарша, в ходе проведения которого фарш подготавливается к процессу уничтожения микроорганизмов, и второго, заключительного процесса - уничтожения микроорганизмов. Использование в системе СВЧ-обработки камер, предусматривающих ввод в них материала под углом 30° к оси волновода камеры, обеспечивает согласование потоков СВЧ-энергии и обрабатываемого материала в широком диапазоне диэлектрических и габаритных характеристик последнего.
Авторам не известны технические решения или источники информации, в которых описаны признаки, заключающиеся в том, что:
- ввод потока фарша в систему камер осуществляется через камеру, запитываемую мощностью СВЧ-колебаний наименьшего в цепочке уровня, то есть через последнюю камеру цепочки;
- вывод потока готового продукта осуществляется через камеру, запитываемую непосредственно от СВЧ-генератора.
Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Количество «n» /фиг.1/ последовательно соединенных СВЧ-камер в установке опредедляется уровнем коэффициента использования мощности
погл
где Р - мощность, поглощаемая обрабатываемым материалом;
пад
Р - мощность, излучаемая СВЧ-генератором.
Вся непоглощенная материалом мощность
пр
пр
пад
уйдет в согласованную нагрузку, т.е. составит прямые потери мощности, определяющие снижение β, а следовательно, и снижение КПД установки. В рассматриваемой схеме значение Р определяется числом n последовательно соединенных камер и может быть достигнуто, как показано на фиг.2, сколь угодно малым. Действительно, из фиг.2 следует, что при n=3, при r=3 см и L=15 см в сечении потока В, соответствующем в данном случае выходу энергии из системы камер, неиспользуемая в последней камере цепочки Р составляет по отношению к Р СВЧ-генератора /камера 1-1/3-1-β=0,04, т.е. β=0,96. Тем же методом можно показать, что при L=10 см и r=3 см, при n=5 β=0,94, а при n=6 β=0,99 и т.д.
погл
В (1) величина Р определяется:
- диэлектрическими характеристиками обрабатываемого материала и их изменением в процессе сушки, вызванным, в первую очередь, изменением влажности материала;
- толщиной и шириной потока материала.
в
пад
погл
n
Выбирая толщину, r, и ширину, L, потока материала необходимо, прежде всего, учитывать, что их значения никак не связаны с производительностью установки, П. Производительность при сушке материала определяется только количеством воды, Δm, которую надо удалить из материала, воздействующей на материал, Р, и поглощенной им, P, мощностью и КПД процесса, η.
где q - удельная теплота парообразования воды, q=2256 кДж/кг=0,627 кВт час/кг;
i
Δt - время прохождения потоком материала i-той камеры цепочки;
поглi
Р - поглощенная материалом в i-той цепочке мощность.
поглi
i
i
пр
i
Абсолютное значение Р. зависит от ширины потока L, но в цепочке последовательно соединенных камер L суммируется по n камерам. Поэтому, при выполнении условия минимизации Р, одновременно оптимизируются n и L.
погл
погл
Аналогичная картина имеет место в зависимости Р=f(r). Действительно, в волноводной камере /Бергер М.Н., Капилевич Б.Ю. Прямоугольные волноводы с диэлектриком. М., Советское радио, 1977/ коэффициент диэлектрического поглощения, α, зависит от толщины диэлектрика, r, что приводит к изменению Р
погл
пад
-2αL
Р=Р(1-е)
поглi
i
поглi
Но, как и в зависимости Р=f(L) изменение Р в каждой i-той камере цепочки может быть скомпенсировано числом, n, цепочек без изменения коэффициента использования мощности, β, см (1).
КПД процесса (3) зависит только от следующих характеристик:
1. Распределение электромагнитного поля в сечении материала.
В СВЧ-камере, построенной на прямоугольном волноводе, при размещении в ней обрабатываемого материала симметрично, относительно осевой плоскости волновода и параллельно стенке «в» волновода, максимум поля всегда находится в срединном сечении материала и потому процесс нагрева материала и испарения воды начинается именно в середине материала. Отсюда, все три градиента /концентрации паров, температуры и давления пара/ направлены в одну сторону /от середины к наружным слоям/, что ускоряет истечение пара из материала, т.е. максимизирует КПД процесса.
2. Сцепление молекул воды с материалом.
3. Сопротивление материала выходу паров воды.
n
Последние две характеристики индивидуальны для каждого материала. Экспериментально установлено, что при сушке мясокостного фарша КПД процесса в волноводной камере составляет η=0,7-0,8.
пр
поглi
пад
пад
Исходя из этих данных, принимая, что при выбранном значении числа n, последовательных камер в цепочке Р пренебрежимо мало, т.е. ΣР≅P, производительность установки по сушке фарша определяется только из условия, что за время Δt=1 час, например, при мощности СВЧ-генератора Р=40 кВт, установка способна испарить, см (3).
o
во
к
вк
во
во
вк
пад
Если сырой материал имеет влажность W=40%, то в одном его кг содержится m=0,4 кг воды. Если после сушки необходимо достигнуть влажности W=10%, то остаточное содержание воды этой порции фарша составит m=0,07 кг, т.е. из 1 кг сырого фарша в процессе сушки необходимо испарить Δm=m-m=0,4-0,07=0,33 кг воды. Тогда, по (4), количество кг сырого фарша, которое установка способна высушить за 1 час при Р=40 кВт, составит
Соответственно, объем обрабатываемого установкой в час фарша составит
3
n
/удельный вес, р=0,64 кг/дм соответствует фаршу, на котором проводились экспериментальные исследования лабораторией микроволновой энергетики, т.е. которому соответствует экспериментально установленная величина η=0,7-0,8/. Исходя из этих данных могут быть выбраны ширина потока, L, толщина потока, r, число ветвей волноводных камер, n, и скорость движения потока через систему камер. При выборе величин r и L следует учитывать, что чем меньше сечение потока S=r·L, тем выше будет скорость его движения на транспортере в обеспечение выполнения обработки объема U и, соответственно, меньше время прохождения им через каждую ветвь камеры.
Это приведет к меньшему изменению диэлектрических характеристик фарша за время прохождения им каждой камеры /особенно это важно для камер первых цепочек/, что уменьшит, с одной стороны, потери на отраженную мощность, а с другой стороны, повысит устойчивость работы СВЧ-генератора. Увеличение же при этом числа n последовательно соединенных в цепочке камер не вызывает возникновения каких-либо технических проблем.
3
Так, например, для того, чтобы пропустить через СВЧ-камеры за t=1 час объем фарша U=230 дм (см. (5)) при r=0,3 дм и L=1,5 дм, необходима скорость, V, движения потока фарша через камеры
Соответственно, время, Δt, прохождения каждого сечения потока фарша через волновод камеры определится, как
Но при уменьшении ширины потока L до 1 дм V возрастает до 1,28 м/мин, a Δt уменьшится до 11,5 сек.
пад
Увеличение производительности установки, относительно величины П=145 кг/час может быть достигнуто введением в нее дополнительных СВЧ-генераторов. При этом производительность установки будет возрастать пропорционально увеличению суммарной мощности всех генераторов, запитывающих ее, за счет увеличения скорости потока фарша через СВЧ-камеры. Пример схемы установки, обеспечивающей ее удвоенную производительность, П=300 кг/час и, соответственно, запитываемую от двух СВЧ-генераторов, приведен на фиг.3. Скорость потока фарша в этой установке /ΣР=80 кВт/, при r=0,3 дм, L=1,5 дм составит по (6), (7) V=1,7 м/мин, а время прохождения одной камеры, Δt=9 сек.
Попеременное прохождение потоком обрабатываемого фарша СВЧ-камер, запитываемых от разных генераторов и имеющих равный уровень мощности в установке фиг.3, обеспечивают сохранение общего закона изменения воздействующей на фарш мощности /относительно схемы фиг.1/. Дополнительным преимуществом этой схемы является противоположное направление распространения волны в каждой паре соседних равноуровневых камер, что в сумме по этим камерам повышает равномерность распределения СВЧ-поля по ширине потока L фарша. Так коэффициент равномерности
max
min
δ=Р/P
в схеме фиг.3, относительно схемы фиг.1 уменьшается при L=15 см в камерах 1 - в 1,5 раза; в камерах 2 - в 2,2 раза; в камерах 3 - в 4,5 раза.
пад
пр
св
в
в
Установка СВЧ-сушки позволяет осуществлять контроль и автоматическое управление процессом сушки. Контроль процесса сушки осуществляется измерением мощности на волноводном входе первой и выходе последней камер, путем сопоставления показаний установленных в каждой из этих точек двух детекторных головок (поз.8), удаленных друг от друга на нечетное число четвертей длины волны в волноводе. Мощности Р и Р могут быть измерены с помощью детекторных головок. При этом необходимо учитывать, что в тракте распространения электромагнитных волн, благодаря сложению падающей и отраженной волн, создается стоячая волна. Длина стоячей волны составляет λ=λ/2, где λ - длина бегущей волны в волноводе.
в
пад
пр
Расположение стоячей волны в волноводе зависит от многих факторов (взаимного расположения последовательно соединенных камер, длины, толщины и диэлектрических характеристик материала и др.). Поэтому заранее определить фазу стоячей волны в сечении расположения детекторной головки невозможно, а изменение мощности в пределах 180 градусов стоячей волны может быть весьма существенным. Приемлемой точности измерения мощности можно достичь, использовав как на входе, так и на выходе камер по две детекторные головки, установленные на расстоянии λ/4. Если эти головки предварительно совместно откалибровать по мощности, то, усреднение их показаний всегда позволяет найти значение Р и Р с приемлемой точностью:
1
2
, где P и P - результаты измерения мощности каждой детекторной головкой. Управление же процессом осуществляется изменением мощности СВЧ-генератора и скорости движения транспортера.
пад
Все приведенные здесь характеристики процесса сушки мясокостного фарша подтверждены приведенными выше результатами экспериментальных исследований, проведенных при толщине слоя фарша r=30, 40, 50 мм, ширине потока L=15 см и мощности Р=5, 10 и 20 кВт.
По микробиологическим показателям достигнуты следующие результаты:
Образец
МАФАнМ
БГКП
Salmonella
Мясокостный фарш (контроль)
28,7-10<sup>6</sup> КОЕ/г
обнаружено
не обнаружено
Мясокостный фарш (20 кВт, 30 сек)
43 КОЕ/г
не обнаружено
не обнаружено
Мясокостный фарш (20 кВт, 40 сек)
I. не обнаружено
не обнаружено
не обнаружено
II. не обнаружено
не обнаружено
не обнаружено
III. не обнаружено
не обнаружено
не обнаружено
Таким образом, в результате СВЧ-обработки мясокостного фарша произошло снижение величины МАФАнМ на 6 порядков и эффективность обеззараживания составила 99,999%.
Температура фарша не превышала 108°С.
В описании приведены следующие иллюстрационные материалы.
1
2
к
Фиг.1. Схема соединения СВЧ-волноводных камер, размещенных на общем транспортере и составляющих единую СВЧ-печь. (Все СВЧ-камеры (поз.1), входящие в состав установки (фиг.1, 3), конструктивно одинаковы. Но мощность СВЧ-колебаний, направление их распространения относительно потока фарша изменяются от камеры к камере в зависимости от места, n, каждой камеры в цепочке (n=1 в первой, подключенной к генератору, камере). Кроме того, характеристика процесса, проходящего в системе СВЧ-камер, зависит от того к какому из К генераторов (Г, Г, Г) подключена каждая цепочка камер. Поэтому здесь на СВЧ-камеры введено обозначение: 1-К/n.)
пад
Фиг.2. Распределение воздействующей мощности, Р, по ветвям установки при непрерывном потоке фарша и L=15 см, r=3 см.
а - камера 1-1/1; в - камера 1-1/2; с - камера 1-1/3.
Фиг.3. Схема соединения СВЧ-волноводных камер, размещенных на общем транспортере, при запитке системы от 2-х СВЧ-генераторов.
к
min
Число СВЧ-генераторов, Г, в установке может быть любым - оно определяется ее необходимой производительностью /фиг.1, 3/. Каждый генератор запитывает одну цепочку n камер. Минимальное число камер в цепочке n=3. Максимальное число камер в цепочке не лимитируется. Оно обусловлено необходимостью полного использования мощности каждого генератора при выбранном значении ширины, L, толщины, r, потока, которые, в свою очередь, зависят от начальной влажности мясокостного фарша. Неиспользованная мощность из каждой цепочки по волноводам, 3, передается в свою согласованную нагрузку, Н, число которых в установке равно числу генераторов. На входе и выходе потока фарша в каждой камере установлены коробы, 4, поглощающие паразитные СВЧ-излучения. Длина короба по оси потока 0,5 м и она определяет минимальное расстояние между любыми двумя соседними камерами /фиг.1/. Если короба соединены между собой фланцами, 6 /фиг.3/, то общая длина двух стыкующихся между собой коробов может быть уменьшена до 0,5 м. Соединение СВЧ-камер, расположенных в одной цепочке, осуществляется волноводами, 3, соединенными между собой с помощью фланцев, 2.
Поток фарша, 5, вводится в установку со стороны камер, запитываемых наименьшим в каждой цепочке уровнем мощности.
Для удаления пара из СВЧ-камер на входе каждой цепочки, запитываемой генератором, устанавливается волновод с запредельной трубой (поз.7), через которую осуществляется свободный ввод воздуха в цепочку камер. На выходе каждой цепочки к аналогичному волноводу подключается вытяжной вентилятор.