СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОЙ ИЛИ ГАЗООБРАЗНОЙ СРЕДЫ
SYSTEM AND METHOD FOR DISINFECTING THE LIQUID OR GASEOUS MEDIUM

Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к системе обработки жидких или газообразных сред для их дезинфекции и обеззараживания с помощью регулируемого последовательного и/или одновременного применения бактерицидного ультрафиолетового излучения (предпочтительно тип С) и температуры в диапазоне от низкой до умеренной (предпочтительно) и высокой таких продуктов как продукты питания, ингредиенты, парфюмерия, духи, косметика, фармацевтические препараты (лекарства), медицинские продукты (сыворотка, гематологические жидкости и т.д.), химические вещества, продукты, содержащие спирт, нефтепродукты и т.д.
Уровень техники изобретения
Поставленная задача касается дезинфекции или обеззараживания жидких или газообразных сред (продуктов питания, ингредиентов, парфюмерии, духов, косметики, фармацевтических препаратов (лекарств), медицинских жидких или газообразных сред (сыворотки, гематологических жидкостей и т.д.), химических веществ, продуктов, содержащих спирт, нефтепродукты и т.д.), которые из-за особых характеристик чувствительны к специальной термической обработке, в результате которой происходит потеря качества на функциональном или технологическом уровне (вспенивание, эмульгирование, окраска, утолщение, структурирующие способности и т.д.), на уровне питания (потеря витаминов, аминокислот и незаменимых жирных кислот, полифенолов, антиоксидантов и т.д.) или на органолептическом уровне (потеря аромата, вкуса, цвета, текстуры и т.д.).
УФС-излучение применяется для очистки и обработки воды, как недорогая и безопасная альтернатива для улучшения вкуса и запаха. УФС-излучение оказывает бактерицидное действие на микроорганизмы. Несмотря на то, что оно считается бактерицидным, оно влияет на все виды микроскопических организмов (вирусы, бактерии, водоросли, грибы, дрожжи и простейшие). Обеззараживающая сила УФС-излучения является результатом его воздействия на клеточную ДНК, что приводит к снижению ее дыхательной активности, блокируя процессы синтеза и ингибируя или замедляя митоз. С другой стороны, действие УФС-излучения на двух смежных основаниях тимина или цитозина (пиримидинов) в одной цепи ДНК или РНК, формирует соответствующие димеры, предотвращая репликацию ДНК или РНК в микроорганизмах, и, таким образом, их размножение.
Бактерицидное действие УФС-излучения зависит главным образом от дозы, примененной по отношению к микроорганизмам, а также от интенсивности излучения и времени воздействия. Интенсивность излучения - это эффективность УФ-излучения на единицу площади, измеренная в микроваттах на квадратный сантиметр. Соответствующая доза - это произведение интенсивности излучения и времени воздействия, выражающееся в миллиджоулях на квадратный сантиметр или эквивалентно в микроваттах на секунду на квадратный сантиметр.
Другая особенность УФС-излучения состоит в том, что бактерицидное действие увеличивается с течением времени (доза).
УФ-излучение снижает образование химических веществ и/или субпродуктов. Кроме того, этот процесс осуществляется в сухих, холодных условиях и требует незначительного технического обслуживания и имеет более низкие эксплуатационные расходы по сравнению с обычными тепловыми процессами, для которых характерно большое потребление энергии. С другой стороны, поскольку это процессы, осуществляемые при низкой или умеренной температуре, они предотвращают нежелательные эффекты обычных термических обработок. По этим причинам, интерес к использованию УФС-излучения для дезинфекции продуктов питания возрастает. Однако, каждый вид продуктов питания, косметики, фармацевтических препаратов и т.д. имеет собственный состав, что может повлиять на различие их доз УФС-излучения. Недостатком использования УФС-излучения для обеззараживания является низкий коэффициент пропускания большинства жидких или газообразных сред, что приводит к эффективной обработке только тонких слоев вблизи излучателя.
Хорошо известен низкий коэффициент пропускания УФС-излучения в большинстве жидкостей кроме воды. Эффект проникновения УФС-излучения зависит от типа жидкости, коэффициента поглощения при заданной длине волны и растворов, присутствующих в жидком и взвешенном веществе. Увеличение количества твердых веществ приведет к снижению интенсивности проникновения УФС-излучения, а крупные взвешенные частицы могут блокировать падение света на микробиологическую нагрузку. Например, проникновение УФС-излучения в соках колеблется в пределах от нескольких сотен микрон до нескольких миллиметров из-за 90% поглощения света, вызванного их соединениями или взвешенными частицами.
Для некоторых пищевых продуктов или технологических процессов необходимо уменьшить или инактивировать некоторые ферменты. Например, в овощных или фруктовых соках, инактивация пектина-метил-эстеразы (ПМЭ), приводящей к потере текстуры, пероксидазы, катализирующей процесс окисления или перполи-фенол-оксидазы (ПФО), участвующей в реакциях затемнения или потемнения, окисляя фенольные соединения до хинонов. Что касается воздействия УФС-излучения на ферменты, в целом они вызывают некоторую степень инактивации в соответствии с дозой и матриксом, в котором они находятся.
В настоящее время существуют различные основные типы УФ-излучателей, среди которых можно выделить излучатели на основе паров ртути.
С точки зрения уничтожения микробов, излучатели низкого давления зачастую являются наиболее широко используемыми в промышленности, так как они обеспечивают почти монохроматическое излучение, которое конденсируется в 254 нм, очень близко к максимуму поглощения молекулы ДНК при 260 нм и просты в обращении и работе. По сравнению с излучателями среднего и высокого давления излучатели низкого давления имеют лучшую производительность (30-40% по сравнению с 10-15% среднего давления) и работают при более умеренных температурах (40°C-110°C по сравнению с 600 - 900°C), хотя УФ-мощность, излучаемая на волну значительно ниже.
Описание изобретения
Настоящее изобретение представляет собой систему для обеззараживания жидкой или газообразной среды, состоящую из 5 излучателя (1), обрамленного удлиненным элементом (2) расположенным концентрично по отношению к УФ-излучателю, через который циркулирует хладоноситель, охлаждающий УФ-излучатель, удлиненный элемент (2) обрамленный удлиненным элементом (3), расположенным концентрично по отношению к УФ-излучателю, через который циркулирует подлежащая обеззараживанию жидкая или газообразная среда, удлиненный элемент (3), обрамленный удлиненным элементом (4), расположенным концентрично по отношению к УФ-излучателю, через который циркулирует хладо- или теплоноситель, охлаждающий или подогревающий подлежащую обеззараживанию жидкую или газообразную среду, в дальнейшем система по настоящему изобретению.
В настоящем описании термин «жидкая или газообразная среда» подразумевает жидкость или газ.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения представлена система, в которой удлиненный элемент 15 (3), через который циркулирует подлежащая обеззараживанию жидкая или газообразная среда, имеет шероховатые стенки или спиральные пути.
Это приводит к турбулентной и неламинарной циркуляции жидкой или газообразной среды, подлежащей обеззараживанию, обеспечивая одинаковую обработку или дозу УФС и температуру для всего объема жидкой или газообразной среды.
В настоящем изобретении толщина слоя обрабатываемой жидкой или газообразной среды может быть менее 1 мм. Обратное давление, воздействующее на жидкую или газообразную среду (с помощью клапана обратного давления) вместе с усилителями турбулентности потока обеспечивает циркуляцию жидкой или газообразной среды, подлежащей обеззараживанию, в форме турбулентного потока во время ее обработки даже в таком ограниченном пространстве.
2
2
В различных библиографических источниках высказывается предположение о необходимости воздействия доз 400 Дж/м (40 мДж/см) УФС-излучения (254 нм) минимум на все части жидкой или газообразной среды для обеспечения надлежащего снижения количества 5 Log целевых или маркерных микроорганизмов для получения (в случае пищевой промышленности) микробиологически безвредных продуктов питания. Учитывая, что указанная доза УФС должна использоваться по отношению ко всей системе для обеспечения равномерной обработки жидкой или газообразной среды.
В настоящем изобретении указанная доза или более высокие дозы достигаются в конце цикла обработки, поскольку система выполнена таким образом, что можно последовательно соединить неограниченное количество систем. Кроме того, простому достижению указанной дозы способствует интенсивность современнейших ламп (излучатели с эксимерной и ртутной дугой), которые могут обеспечить такую дозу в течение нескольких секунд. Более того, благодаря регулированию скорости потока (скорость, при которой жидкая или газообразная среда циркулирует по системе) с помощью лопастного насоса можно увеличить время обработки и, таким образом, дозу. Настоящее изобретение принимает во внимание возможность того, что в случае необходимости снижения скорости потока в системе, группы систем можно параллельно соединить друг с другом, чтобы предотвратить снижение общей скорости производственного потока (л/час) оборудования.
Другой вариант осуществления изобретения представляет собой систему, в которой жидкую или газообразную среду, подлежащую обеззараживанию, выбирают из группы, состоящей из продуктов питания, косметики, медикаментов, лекарственных препаратов, больничной жидкой или газообразной среды, парфюмерии, духов и химических соединений.
Другой вариант осуществления изобретения представляет собой систему, в которой УФ-излучатель излучает волну длиной от 200 до 312 нм.
Другой вариант осуществления изобретения представляет собой систему, в которой расстояние между наружной стенкой удлиненного элемента (2) и внутренней стенкой удлиненного элемента (3) составляет от 0,5 до 5 мм.
Другой вариант осуществления изобретения представляет собой систему, в которой одна или несколько систем могут быть соединены последовательно или параллельно. В частности, в одной из систем есть УФ-излучатель, излучающий волну длиной от 290 до 320 нм.
Кроме того, настоящее изобретение дополнительно учитывает возможность использования одной или нескольких (узел) УФВ-систем с конструкцией аналогичной конструкции УФС-систем и, которые могут быть соединены последовательно или параллельно и размещены после УФС-систем. Основной целью УФС-систем является применение обработки при помощи более длинных волн для восстановления или перестройки определенных соединений, которые в зависимости от состава жидкой или газообразной среды, подлежащей обработке, могут разложиться или вступить в реакцию (в первую очередь при окислении) с другими соединениями самой жидкой или газообразной среды, немного (но, возможно, заметно) изменяя биохимические, органолептические и/или питательные характеристики обрабатываемой жидкой или газообразной среды, а в случае с продуктами питания, например, приводя к ухудшению качества указанных продуктов питания. Использование указанного этапа является выборочным, поскольку на его использование сильно влияют ожидаемые результаты в отношении окончательного продукта, а также состава продукта (жиры, белки, углеводы и т.д.).
Другой вариант осуществления изобретения представляет собой систему, состоящую из устройств для измерения и контроля интенсивности излучения УФ-излучателя.
Другой вариант осуществления изобретения представляет собой систему, состоящую из устройств для измерения и контроля температур.
Поскольку УФС-лампа, находящаяся в центре системы, герметично изолирована от остальных концентричный трубок, по которым циркулирует жидкая или газообразная среда, подлежащая обеззараживанию, хладо- и теплоноситель, для покрытий, образующих пространства, в которых циркулируют эти жидкие или газообразные среды, требуются соединительные трубки (независимо между двумя жидкими или газообразными средами) в выпускных отверстиях системы, соединенных с впускными отверстиями следующей системы, используемой в качестве циркуляционной системы. Хладо- и теплоноситель, проходящий через систему, повторно циркулирует, в то время как жидкая или газообразная среда, подлежащая обеззараживанию (например, пищевые продукты), даже если она может также повторно циркулировать через систему, предпочтительно непрерывно обрабатывается с помощью групп систем, соединенных последовательно или параллельно, без повторной циркуляции, если только перепад одной из переменных не приводит к тому, что требуемая доза не достигается, таким образом, отводя рециркуляцию продукта (с помощью клапана отвода) к первоначальному бачку или сосуду для последующей повторной циркуляции. На впуске или на выпуске системы можно установить систему кондиционирования для охлаждения/нагрева жидкой или газообразной среды, подлежащей обработке, до и после обработки УФ-излучением.
Доза должна применяться равномерно ко всему объему продукта и, как описывалось ранее, в настоящем изобретении это достигается. Различные факторы могут способствовать достижению равной дозы для всего объема продукта, например: то, что продукт должен циркулировать через несколько (2 или более) систем, соединенных последовательно или параллельно; то, что трубы между этими системами (соединяющие выпускные отверстия с впускными отверстиями следующей системы) имеют объемы отрезка, отличные от объемов отрезка в сегменте системы; то, что геометрическое и пространственное расположение систем заставляет жидкую или газообразную среду или продукт изменять свое направление в пространстве (но не направление в отрезке, через который циркулирует жидкость), путем размещения по горизонтали или по вертикали (или попеременно) направление между системами изменяется справа налево или наоборот (всегда принимая во внимание, что выпускное отверстие одной переходит во впускное отверстие другой); что на циркуляцию жидкой или газообразной среды, подлежащей обработке (продукта) может воздействовать обратное давление с помощью клапана обратного давления (в конце контура); что присутствие гомогенизаторов на выпуске системы приводит к смешиванию жидкой или газообразной среды перед впускным отверстием следующей системы; что наличие усилителей турбулентности потока в камере, через которую проходит жидкая или газообразная среда, подлежащая обработке, увеличивает турбулентность и гомогенизацию последней.
Возможность эффективно и равномерно применять различные контролируемые температуры во время применения УФ-излучения к жидкой или газообразной среде, подлежащей обработке, может быть полезной для различных видов применений, таких, например, как:
- получение результатов синергической инактивации микробов, т.е. тех, которые превышают результаты, которые можно было бы получить при их сложении, применяя УФС-излучение и температуру по отдельности.
- получение общей микробной инактивации различных видов микроорганизмов с различной степенью чувствительности к ультрафиолетовому свету и термической обработке, позволяя, таким образом, использовать более умеренные температуры.
- получение ферментной инактивации путем применения умеренных температур, например от 60 до 80°C.
- получение результатов синергической ферментной инактивации, превышающих результаты отдельных УФС и температурных обработок.
- стабилизация некоторых компонентов (например, белков) в некоторых жидких или газообразных средах при умеренных температурах.
- содействие гомогенизации, растворению и дисперсии различных соединений в жидких или газообразных средах, подлежащих обработке, в результате воздействия низких или умеренных температур.
- поддержание кинетики определенных химических или ферментативных реакций при помощи низких или умеренных температур, что способствует достижению конечных задач жидких или газообразных сред, подлежащих обработке.
- температура и ее контроль могут поддерживать определенный уровень текучести продуктов или жидких или газообразных сред, имеющих определенный уровень вязкости, тем самым облегчая их циркуляцию через весь контур.
- температура и ее контроль могут облегчить процессы очистки в контуре после завершения производства, поскольку это помогает растворить и перетащить остатки обработанных жидких или газообразных сред, и, кроме того, повышает эффективность очистки продуктов, таких, как, например, щелочь (NaOH 3% при температуре 80°C), кислоты (HNO3 «азотная кислота» 2% при температуре и 45-50°C), коммерческие моющие средства, ферментные продукты, надуксусная кислота (CzH4O3), перекись водорода (HzOz) и т.д.
- температура и ее контроль могут способствовать дезинфекции и обеззараживанию участков в системе при использовании высоких температур.
Настоящее изобретение учитывает различные системы защиты для предотвращения и обнаружения проблем утечек и обрывов между концентрическими трубками, и более конкретно проблемы, связанные с УФ-излучателями и материалом, окружающими этот излучатель, который предпочтительно является кварцевым. Указанные системы защиты обеспечивают более высокую безопасность в отношении возможных отклонений материалов (кварц) относительно жидких или газообразных сред, подлежащих обработке, в отношении повреждения объектов из-за коротких замыканий, безопасность для операторов и, прежде всего, обеспечивают систему защиты для заранее заданных условий дозировки УФ излучения (интенсивность и время), температуры и обратного давления обработки, предотвращая упаковку «плохо» обработанной жидкости в качестве правильно обработанной.
Такие меры безопасности могут быть перечислены в краткой форме:
- наличие датчиков температуры в контуре, и в первую очередь (но не исключительно) на выпуске систем, которые постоянно отправляют информацию о температуре жидкой или газообразной среды, подлежащей обработке на панель управления.
- наличие датчиков, измеряющих интенсивность неионизирующего излучения (УФС и/или УФВ) в каждой системе, и, которые постоянно отправляют информацию об интенсивности излучения излучателя на панель управления.
- наличие тонкого электрического канала в кварце излучателя и/или защитном кварцевом покрытии. Любая поломка кварца может привести к поломке токопроводящей дорожки и, следовательно, к прекращению подачи электрического тока, срабатыванию сигнализации на панели управления и выполнению ею запрограммированных действий. Указанный электрический провод, предпочтительно, но не исключительно, может быть изготовлен из золота.
- наличие УФ прозрачного полимерного покрытия кварца, которое в случае поломки задержит обломки и не даст им попасть в жидкую или газообразную среду, подлежащую обработке.
- наличие прокладок, обеспечивающих герметичность и уплотнение стыков между УФ-излучателем и кварцевым покрытием. Конструкция и материалы указанных прокладок (например, но не ограничиваясь, фторированные полимеры) переносят самые экстремальные условия промывания и дезинфекции CIP-типа (очистка на месте) и обеззараживания SIP-типа (паром на месте), которые зачастую используются в пищевой отрасли.
- наличие системы обратного давления (предпочтительно, но не исключительно клапан обратного давления) и воздействие постоянного давления на поступательное движение жидкой или газообразной среды, подлежащей обработке, и, таким образом, содействие созданию профилей турбулентного потока.
- наличие панели управления, которая запускает клапан отвода, отводящий жидкую или газообразную среду, подлежащую обработке, расположенный перед системой гигиенической или асептической упаковки (бачок и упаковщик); срабатывание клапана отвода может быть связано со сбоем любого начального заранее установленного условия, например, (предпочтительно, но не исключительно) температуры, интенсивности УФС- или УФВ-излучения, времени обработки (настроек скорости потока в насосах, продвигающих продукт), поломки лампы или кварцевого покрытия, падения давления продукта и т.д.; клапан отвода предотвратит упаковку неправильно обработанного продукта (предпочтительно, но не исключительно, который не достигнет резервуара или асептического бачка для последующей гигиенической или асептической упаковки) путем его отвода в первоначальный бачок для повторной циркуляции или в любой другой бачок для удаления продукта в отходы или иным образом.
Кроме того, настоящее изобретение предусматривает способ обеззараживания жидкой или газообразной среды, который осуществляется в системе, включающей в себя УФ-излучатель (1), обрамленный удлиненным элементом (2), расположенным концентрично по отношению к УФ-излучателю, через который циркулирует хладоноситель, охлаждающий УФ-излучатель, удлиненный элемент (2), обрамленный удлиненным элементом (3), расположенным концентрично по отношению к УФ-излучателю, через который циркулирует подлежащая обеззараживанию жидкая или газообразная среда, удлиненный элемент (3), обрамленный удлиненным элементом (4), расположенным концентрично по отношению к УФ-излучателю, через который циркулирует хладо- или теплоноситель, охлаждающий или подогревающий подлежащую обеззараживанию жидкую или газообразную среду, и который включает в себя воздействие УФ-излучения на жидкую или газообразную среду, подлежащую обеззараживанию при температуре от -20 до 160°C.
Другим вариантом осуществления изобретения является способ, в котором температура варьируется от 2 до 80°C.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - внешний вид системы по настоящему изобретению сбоку, на котором 15 наблюдается расположение точек впуска и выпуска различных схем циркуляции жидкой или газообразной среды: впуск (5) и выпуск (6) жидкой или газообразной среды, подлежащей обеззараживанию, впуск (7) и выпуск (8) хладо- или теплоносителя, впуск (9) и выпуск (10) воздуха.
Фиг. 2 - продольный разрез системы по настоящему изобретению, на котором наблюдается расположение различных камер, по которым циркулируют различные жидкие или газообразные среды, а также расположение УФ-излучателя.
Фиг. 3 - увеличенный вид продольного разреза, на котором более подробно изображено расположение камер, по которым циркулируют различные жидкие или газообразные среды: воздух (2), жидкая или газообразная среда, подлежащая обеззараживанию (3), хладо- или теплоноситель (4), УФ-излучатель (1). Кроме того, можно наблюдать расположение прокладок или уплотнений (11, 12, 13), которые обеспечивают герметичность соединений излучателя, кварцевого покрытия и камеры, по которой циркулирует продукт.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
Пример 1. Воздействие обработки УФС-излучением на смертность различных микроорганизмов.
-1
-1
Для демонстрации эффективности настоящего изобретения на примере были изучены различные микроорганизмы с разными уровнями чувствительности к обработке УФС-излучением в водном растворе с низким коэффициентом поглощения (0,43 см) и в жидком яичном белке с высоким коэффициентом поглощения (107 см) при различных температурах: 20 и 50°C при обработке с помощью инокулированных водных растворов и 20 и 55°C при обработке с помощью инокулированных яичных белков. Концентрация микроорганизмов в контрольных образцах составляла приблизительно 7 КОЕ/мл.
0
2
Для расчета полученной дозы (Уравнение 1) необходимо было рассчитать переданную интенсивность (I) с помощью закона Бэра-Ламберта (Уравнение 2), принимая во внимание толщину жидкой или газообразной среды, длину канала (для водного раствора и жидкого яичного белка), которая составляла 1 мм (d=0,1 см), коэффициенты поглощения для λ=254 нм (описанные выше) и поверхностную плотность падающего потока излучения (I=31 мВт/см). Микробиологические результаты в Таблицах 1-3 выражаются в смертности (Уравнение 3).
2
2
В уравнении 1 Доза выражается в мВт с/см, Интенсивность излучения выражается в мВт/см, а Время выражается в секундах.
0
В Уравнении 2, I - передаваемая интенсивность, I - поверхностная плотность падающего потока излучения, ε - коэффициент поглощения, a d - длина канала.
0
2
В Уравнении 3, N - это начальное КОЕ/см2 перед обработкой, а N - это КОЕ/см после обработки.
Исходя из данных, указанных в таблицах выше (таблица 1-3), можно заключить, что смертность повышается линейно и пропорционально при большем времени воздействия, по крайней мере, в исследованных диапазонах времени.
2
-1
В случае применения интенсивности излучения 31 мВт/см при 20°C в водных растворах с низким коэффициентом поглощения (0,43 см) и временем от 3 до 6 секунд в растительных бактериях достигались уровни смертности (сокращения) от 2,5 до 5,8 логарифмических единиц (Log), в то время как сокращение более устойчивых к ультрафиолету микроорганизмов (спор В. Subtilis (Сенная палочка) и спор A. Niger (Аспергилл черный)) достигало 0,5-3 Log.
2
-1
В случае применения интенсивности излучения 31 мВт/см при 20°C в жидких или газообразных средах с высоким коэффициентом поглощения (107 см), например, в жидком яичном белке и временем от 6 до 18 секунд, сокращение составляло 1,6-5, 1-3 и 0,5-1,7 Log в растительных бактериях (спор Е. Coli (Кишечная палочка) и М. Luteus (Микрококк лютеус) и В. subtilis (Сенная палочка)) соответственно.
2
-1
В случае применения интенсивности излучения 31 мВт/см при 50°C в водных растворах с низким коэффициентом поглощения (0,43 см) и временем от 3 до 6 секунд, в растительных бактериях достигались уровни смертности (сокращения) от 3 до ≥6,9 логарифмических единиц (Log), в то время как сокращение микроорганизмов со спорами (споры В. Subtilis (Сенная палочка) и споры A. Niger (Аспергилл черный)) достигало 0,4-3 Log, почти как при комнатной температуре (20°C).
2
-1
Однако, в случае применения интенсивности излучения 31 мВт/см при 55°C в жидких или газообразных средах с высоким коэффициентом поглощения (107 см), например, в жидком яичном белке и временем от 6 до 18 секунд сокращение составляло 2-6, 1-3,7 и 0,6-1,8 Log в растительных бактериях (Е. Coli (Кишечная палочка) и М. Luteus (Микрококк лютеус)) и в спорах В. subtilis (Сенная палочка) соответственно.
Кроме того, образцы жидкого яичного белка (ЖЯБ), обработанные с или без УФС и/или температуры, никогда не коагулируются и сохраняют основные функциональные характеристики (цвет, запах, вязкость, пенообразующая способность и т.д.).