СВЧ-СТЕРИЛИЗАТОР

Заявляемая полезная модель относится к области стерилизации жидких пищевых продуктов и может быть использована в пищевой, медицинской и микробиологической промышленности, а также в сфере обслуживания, преимущественно для стерилизации небольших объемов различных жидкостей (в небольших кафе, магазинах, аптеках, кабинетах врачей и т.п.).
Известно устройство для обеззараживания и нагрева водных сред (А.С. СССР №1139439), содержащее СВЧ-генератор, прямоугольный волновод с фланцами, трубку из радиопрозрачного материала, расположенную под углом 30-45° к широкой стенке волновода, концевую согласованную поглощающую нагрузку квазирезонаторного типа. Трубка в сечении имеет плоскую форму и установлена широкой стороной к направлению распространения электромагнитной волны, имеет высоту, равную 0,12-0,14 длины волны, а ширину, равную 0,26-0,45 размера широкой стенки волновода.
Основным недостатком этого устройства является отсутствие электролизера, что снижает эффективность обработки жидкости.
Известно устройство для стерилизации жидкостей (А.С. СССР №996334), содержащее генератор СВЧ электромагнитной энергии, волновод, размещенную в нем камеру стерилизации, соединенную с электролизером. Камера стерилизации состоит из переходной и цилиндрической частей. Часть поверхности волновода, ограниченная переходной частью камеры стерилизации, является электродом электролизера и снабжена отверстиями для прохождения жидкости.
Однако в данном устройстве СВЧ-энергия может не полностью поглощаться газожидкостной смесью в цилиндрической части камеры стерилизации, что отрицательно сказывается на КПД процесса и производительности устройства.
Задача и технический результат заключаются в повышении надежности стерилизации.
Поставленная задача решается тем, что в СВЧ-стерилизаторе, включающем волновод, подключенный к СВЧ-генератору с размещенной в волноводе камерой стерилизации, а также электролизер, расположенный со стороны входа в камеру стерилизации, один из электродов которого расположен с внешней стороны от волновода, а второй образован частью поверхности волновода, выполненной с отверстиями для прохода стерилизуемой среды и ограниченной со стороны внутренней поверхности волновода стенками камеры стерилизации, которая выполнена в виде объемной детали, внутренняя полость которой сформирована из продольного канала, переходящего в поперечный канал по отношению к направлению электромагнитного излучения, при этом продольный канал расположен со стороны входа среды в месте расположения электрода с отверстиями, поперечный канал выполнен в трубке, расположенной под углом 30-45 к стенке волновода с электродом, согласно техническому решению, трубка имеет уплощенную форму, установлена широкой стороной к направлению распространения электромагнитной волны и имеет высоту S, равную 0,12-0,14 длины волны, и ширину L, равную 0,26-0,45 размера широкой стенки волновода, а отверстия в стенке волновода для прохода стерилизуемой среды выполнены в виде щелей с увеличением их ширины от центральной части электрода к его периферии. Камера стерилизации выполнена из радиопрозрачного материала. Трубка расположена в области максимума электрической составляющей электромагнитного поля. Соотношение площади электрода, являющейся частью поверхности волновода, расположенного в продольном канале камеры стерилизации, к площади поперечного сечения канала составляет 20-100, а соотношение высоты продольного канала h к высоте волновода b составляет 0,10-0,30. Один или оба электрода электролизера могут быть выполнены из серебра или с покрытием из серебра.
Отверстия в стенке волновода для прохода стерилизуемой среды имеют ширину w и длину (и расположены последовательно одна за другой между узкими стенками волновода с образованием цепочки. При этом цепочки расположены в несколько рядов на электроде, являющемся стенкой волновода, а щели выполнены с увеличением их длины от центральной части электрода к его периферии. Отношение ширины щели w к ее длине (в центральной части электрода составляет 1/2, а ближе к периферии - 1/3.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен пример реализации установки с заявляемым устройством, на фиг.2 - представлен продольный разрез СВЧ-нагревателя, совмещенного с электролизером, на фиг.3 - разрез А-А фиг.1.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - резервуар с исходной жидкостью; 2,6 - трехходовой клапан; 3 - СВЧ-нагреватель; 4 - электролизер, совмещенный с СВЧ-нагревателем; 5 - рекуператор; 7 - гидромагистраль; 8 - насос; 9-одноходовой клапан, 10 - волновод, 11 - отверстия в стенке волновода, выполняющего функцию электролизера, 12 - электрод электролизера, 13 - токопровод, 14 - корпус, 15 - штуцер, 16 - фторопластовые винты, 17 - резиновые прокладки, 18 - камера стерилизации, 19 - выходной штуцер, 20 - запредельное устройство, 21 - фланцы.
В заявляемом техническом решении (фиг.1-3) обработку жидкостей, зараженных спорообразующими формами микроорганизмов, осуществляют без повышения давления и при температуре ниже 100°С в СВЧ-стерилизаторе (СВЧ-нагревателе), совмещенном с электролизером, синхронизируя питание СВЧ-генератора и электролизера. Заявляемое устройство может быть использовано в установке для стерилизации жидкости (фиг.1). При этом воздействие СВЧ-энергии на обрабатываемую жидкость и электролиз может осуществляться с предварительной рекуперацией тепла без использования дополнительного источника нагрева и охлаждения, что увеличивает производительность устройства и установки в целом и снижает энергозатраты. При этом стерилизатор имеет клапаны для отбора как нагретой, так и охлажденной жидкости и контур рецикла, не включающий резервуар с исходной жидкостью. Наличие клапанов улучшает условия эксплуатации стерилизатора, а контур рецикла (без резервуара с исходной жидкостью) имеет малый объем, что обеспечивает быстрый нагрев жидкости при стерилизации гидромагистралей, что в свою очередь снижает время этой операции и выход на заданный температурный режим. При замене жидкостей проводят стерилизацию гидромагистралей контура, осуществляя рецикл при температуре 55-90°С (предпочтительно 87-90°С), используют рекуперацию.
Схема установки, в которую может быть встроено заявляемое устройство (фиг.1), включает подключенный к емкости 1 с исходной жидкостью гидромагистраль, к которой через одноходовый клапан 9 подключен по ходу движения среды насос 8, СВЧ-стерилизатор (СВЧ-нагреватель) 3, совмещенный с электролизером 4. К гидромагистрали также подключен рекуператор 5. Гидромагистраль 7 по отношению к СВЧ-стерилизатору 3 разделена на входную и выходную линии (входная линия расположена перед входом в СВЧ-нагреватель, выходная - после), при этом рекуператор 5 образован совмещением частей входной и выходной линий. В гидромагистраль со стороны выходной линии встроены два трехходовых клапана 2 и 6, один из которых расположен перед рекуператором 5, а второй после него, и предназначенных для слива горячей и охлажденной жидких сред соответственно. При этом выходная линия подключена к входной (ко входу насоса 8) с образованием замкнутого контура.
СВЧ-стерилизатор 3 состоит из волновода 10, подключенного к генератору СВЧ электромагнитной энергии (на чертеже не показан), размещенной в волноводе 10 камеры стерилизации 18, в которой расположен электролизер 4. Камера стерилизации 18 выполнена в виде объемной детали из материала, проницаемого для СВЧ электромагнитного излучения, и состоит из переходной и выводящей частей, выходного штуцера 19, запредельного устройства 20. Переходная часть включает продольный канал, переходящий в поперечный канал, расположенный в выводящей части. При этом электролизер расположен в переходной части с образованием продольного канала. Один из электродов электролизера представляет собой часть поверхности волновода 10, ограниченной со стороны его внутренней поверхности стенкой переходной части камеры стерилизации 18, и снабжен отверстиями 11 для прохождения жидкости. Второй электрод 12, снабженный токоподводом 13, расположен за пределами волновода 10 и закреплен в корпусе 14, выполненном из диэлектрического материала. Корпус 14 и переходная часть камеры стерилизации 18 прикреплены к стенке волновода посредством фторопластовых винтов 16 и резиновых прокладок 17 для герметизации элементов устройства. Корпус 14 соединен со штуцером 15 для подачи обрабатываемой жидкости в СВЧ-стерилизатор. Соотношение площади электрода, являющейся частью поверхности волновода, расположенного в продольном канале камеры стерилизации, к площади поперечного сечения канала составляет 20-100 при отношении высоты переходной части h к высоте волновода Ь 0,10-0,30. Выводящая часть камеры стерилизации выполнена в виде трубки плоской формы, установленной широкой стороной к направлению распространения электромагнитной волны, имеет высоту S, равную 0,12-0,14 длины волны, а ширину L, равную 0,26-0,45 размера широкой стенки волновода.
Отверстия 11 в стенке волновода для прохода стерилизуемой среды выполнены в виде щелей, геометрия и расположение которых представлено выше. Экспериментальным путем было показано, что отношение ширины щели w к ее длине (в центральной части электрода составляет 1/2, а ближе к периферии - 1/3.
Стерилизация и нагрев жидкостей осуществляется следующим образом. Жидкость из резервуара 1 через клапан 9 всасывается насосом 8 и через рекуператор 5 подается в СВЧ-стерилизатор (СВЧ-нагреватель) 3, совмещенный с электролизером 4. Стерилизуемая вода через штуцер 15 подается в пространство, образованное электродом 12 и нижней плоскостью волновода 10. В результате электролиза мелко диспергированные кислород и водород равномерно распределяются в воде, которая через отверстия 11 поступает в камеру стерилизации 18, где подвергается воздействию СВЧ электромагнитного излучения. При этом наряду с тепловым эффектом стерилизующее влияние оказывает мелкодиспергированный кислород, который под действием СВЧ-поля переходит в синглетное состояние. Имеет место и кавитационное воздействие возникающее за счет растворенных в воде газов. Утечка СВЧ-энергии из волновода предотвращается запредельным устройством 20. После нагрева жидкость отбирается через трехходовой клапан 2 в горячем виде, например, для приготовления чая, кофе или в охлажденном виде после рекуператора 5 через трехходовой клапан 6. При стерилизации гидромагистралей жидкость насосом 8 заполняет гидромагистраль, закрывается клапан 9 и жидкость циркулирует по замкнутому контуру рецикла, нагреваясь в СВЧ-стерилизаторе 3 с электролизером 4. Температура жидкости контролируется термометром;
после обработки гидромагистрали жидкость сливается через клапан 2 или 6.
В результате уменьшения лимитирующего влияния стадии электролиза на процесс в целом удается повысить производительность предлагаемого устройства в 2-3 раза при адекватной степени стерилизации.
Примеры осуществления полезной модели, подтверждающие достижение заявленного результата. В качестве основного технологического инструмента использовался СВЧ-генератор мощностью 1000 Вт, работающий на частоте 2450±50 МГц. Волноводный тракт имеет сечение 45×90 мм или 34×72 мм.
Пример 1
Предварительно дехлорированная водопроводная вода заражалась спорообразующей формой микроорганизмов Вас.Thuringiensis в концентрации 1200 КОЕ/мл и подвергалась комбинированному воздействию СВЧ-энергии и электролиза при токе 0,75 А.Технологические параметры этого процесса представлены в таблице 1. Фиксирование параметров и отбор проб на биоконтроль осуществлялись при дискретных значениях температуры от 90 до 40°С.
Таблица 1
Технологические параметры процесса комбинированной обработки воды, зараженной Вас.Thuringiensis СВЧ-энергией и электролизером при токе 0,75 А
tводы нач С
tводы кон°С
Qводы мл/мин
Р СВЧ погл. Вт
Iл-ра А
U эл-ра В
КСВН
С ост КОЕ/мл
20,0
90
170
794
0,75
10,0
2,6
0
20,0
87
175
805
0,75
10,0
2,6
0
20,0
85
185
815
0,75
10,0
2,5
60
20,0
80
205
830
0,75
10,0
2,4
600
20,0
70
255
864
0,75
10,0
2,1
1000
20,0
60
325
890
0,75
10,5
2,0
1200
20,0
50
475
935
0,75
11,0
1,7
1200
20,0
40
650
937
0,75
11,0
1,6
1200
В Таблице использованы следующие условные обозначения:
воды нач.
t - начальная температура воды, °С;
воды кон.
t - конечная температура воды, °С;
воды
Q - расход воды, мл/мин;
свч погл.
Р - поглощенная водой СВЧ мощность, Вт;
рек
P - поглощенная водой мощность в рекуператоре, Вт;
эл-ра
I - ток электролизера, А;
эл-ра
U - напряжение электролизера, В;
КСВН - коэффициент стоячей волны напряжения;
ост
С - концентрация микроорганизмов после СВЧ обработки, КОЕ/мл.;
КОЕ - колониеобразующая единица;
воды рек
t - температура воды после рекуператора, °С.
Из табличных данных видно, что стерилизующий эффект комбинированного воздействия СВЧ-энергии и электролиза при токе 0,75 А на Вас.Thuringiensis проявляется при температуре 87°С. Исходя из вышеизложенного, верхний температурный режим стерилизации воды принимается в пределах 87-90°С.
Пример 2
В этом же температурном интервале (87-90°С) в сочетании с электролизом обрабатывалась питательная среда, содержащая аминокислоты. Результаты анализов сведены в таблицу 2.
Таблица 2.
Содержание аминокислот (в мг/л) в образцах питательной среды, обработанной СВЧ-энергией и электролизом при токе 0,75 А
Аминоксилота
Номер пробы
1 контр
2
3
4
5
Изолейцин
0,30
-
0,31
0,33
0,31
Лейцин
0,29
-
0,31
0,28
0,33
Валин
0,22
0,24
0,21
0,22
0,23
Метионин
0,15
0,20
0,12
0,11
0,12
Тирозин
0,22
-
0,19
0,22
0,22
Фенилаланин
0,22
-
0,17
0,18
0,21
Цистин
0,21
0,20
0,16
0,14
0,15
Лизин
0,37
0,24
0,30
0,37
0,30
Гистидин
0,26
-
0,21
0,19
0,22
Исследование содержания свободных аминокислот в образцах осуществляли с использованием метода ионообменной хроматографии на автоматическом анализаторе Ликвимат Ш.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что в исследуемых образцах питательной среды концентрации свободных аминокислот практически не изменяются, что подтверждает сохранность питательных свойств жидкости после комбинированной обработки.
Питание магнетрона (СВЧ-генератора) по анодной цепи осуществляется от источника постоянного (по схеме удвоения) напряжения. Анодное напряжение формируется однополупериодным выпрямлением переменного напряжения частотой от 50 Гц и выше и феррорезонансной стабилизацией (см., например, принципиальную электрическую схему бытовой микроволновой печи «Электроника»).
Источник питания электролизера также выполнен с однополупериодным выпрямлением переменного напряжения частотой 50 Гц и выше, что позволяет синхронизировать полуволны (импульсы) анодного напряжения и тока СВЧ-генератора и полуволны (импульсы) напряжения и тока электролизера.
Синхронизация работы двух источников питания позволяет одновременно воздействовать на микроорганизмы, находящиеся в жидкости.
Пример 3
6
Предварительно дехлорированная водопроводная вода заражалась синегнойной палочкой (Pseudomonus aeruginosa, штамм №1) в концентрации 10 КОЕ/мл. Мощность СВЧ-генератора 700 Вт, частота 2450±50 МГц.
После этого вода подвергалась воздействию СВЧ-энергией в интервале температур 65-55°С. Температура воды снижалась через 1,0°С, при этом отбирались пробы на биоконтроль и регистрировались технологические параметры процесса нагрева. Результаты экспериментов представлены в таблице 3.
Таблица 3
Первичное воздействие СВЧ-энергии на Pseudomonus aeruginosa, внесенную в воду
tводы нач С
tводы кон°С
Qводы мл/мин
Р СВЧ погл. Вт
С ост КОЕ/мл
26,2
65
220
596
0
26,4
64
225
590
0
26,5
63
230
586
0
26,6
62
240
593
0
26,6
61
250
600
0
26,6
60
255
594
0
26,6
59
260
588
40
26,6
58
275
602
80
26,6
57
285
605
1.2·10<sup>2</sup>
26,6
56
290
595
1.4·10<sup>3</sup>
26,6
55
300
600
2,0·10<sup>3</sup>
Из таблицы следует, что гибель синегнойной палочки осуществляется при температуре 60°С.
Пример 4
6
Жизнеспособные микроорганизмы после первичного воздействия СВЧ-энергии при температуре 55°С выращивались и вносились в предварительно дехлорированную водопроводную воду в концентрации 10 КОЕ/мл.
После этого микроорганизмы подвергались вторичному воздействию СВЧ-энергии при тех же условиях, что и в предыдущем опыте. Результаты приведены в таблице 4.
Таблица 4
Вторичное воздействие СВЧ-энергии на Pseudomonus aeruginosa, внесенную в воду
tводы нач С
tводы кон°С
Qводы мл/мин
Р СВЧ погл. Вт
С ост КОЕ/мл
21,7
65
215
649
0
22,1
64
217
634
0
22,1
63
220
628
0
22,2
62
223
620
0
22,2
61
225
610
0
22,2
60
230
607
0
22,3
59
240
615
0
22,3
58
245
610
0
22,3
57
255
617
30
22,3
56
265
623
2,1.102
22„3
55
280
639
4,0.102
Из таблицы 4 следует, что температура стерилизации снизилась с 60°С (см. табл.3) до 58°С.
Пример 5
6
Оставшиеся жизнеспособные микроорганизмы при температуре 55°С после вторичного воздействия выращивались вновь и вносились в предварительно дехлорированную водопроводную воду в концентрации 10 КОЕ/мл и подвергались воздействию СВЧ-энергии в третий раз. Результаты опытов отображены в таблице 5.
Таблица 5
Третичное воздействие СВЧ-энергии на Pseudomonus aeruginosa, внесенную в воду
tводы нач С
tводы кон°С
Qводы мл/мин
Р СВЧ погл. Вт
С ост КОЕ/мл
22,0
65
215
645
0
22,0
64
220
644
0
22,1
63
225
642
0
22,2
62
230
638
0
22,2
61
235
636
0
22,3
60
240
631
0
22,4
59
245
626
0
22,4
58
250
621
0
22,5
57
260
616
0
22,5
56
270
631
0
22,6
55
280
635
2
После третьего воздействия две жизнеспособные клетки, оставшиеся при температуре 55°С, были высеяны, но не размножились и погибли.
Таким образом, после 3-х кратной обработки питьевой воды при температуре 55°С, зараженной Pseudomonus aeruginosa, происходит гибель популяции микроорганизмов.
Следует особо подчеркнуть, что у оставшихся в живых клеток не отмечается повышения устойчивости к последующему воздействию СВЧ-энергии по сравнению, например, с традиционным тепловым нагревом.
Таким образом, из примеров 1,3-5 определился диапазон температур стерилизации воды и гидромагистралей 5 5-90°С.Нижний предел температуры соответствует гибели вегетативных форм микроорганизмов после трехкратной циркуляции воды.
Верхний предел температуры соответствует гибели спорообразующих форм микроорганизмов при комбинации СВЧ-энергии и электролиза за один проход воды по гидромагистрали.
Пример 6
С целью увеличения производительности обработки жидкости и снижения энергозатрат используют рекуперацию тепла.
Технологические параметры процесса СВЧ-нагрева воды с рекуперацией представлены в таблице 6. Мощность СВЧ-генератора 1000 Вт, частота 2450±50 МГц.
Таблица 6.
Процесс СВЧ-нагрева воды с рекуперацией тепла
tводы нач С
tводы кон°С
Qводы мл/мин
tводы нач С
Р рек Вт
РСВЧ погл. Вт
КСВН
20,0
44
90
225
380
730
3,2
20,0
38
80
270
330
790
2,7
20,0
33
70
320
310
825
2,5
20,0
29
60
400
260
860
2,2
20,0
26
50
530
220
900
1,9
20,0
23,6
40
790
200
950
1,8
В режиме рекуперации тепла производительность процесса нагрева увеличивается в 1,22-1,32 раза.
Кроме этого, в стерилизаторе осуществляется отбор горячей воды, (например, для приготовления чая, кофе и т.п.) сразу после СВЧ-стерилизатора и охлажденной воды после рекуператора.
Дополнительно в стерилизаторе с целью сокращения объема воды и времени обработки в режиме циркуляции контур рецикла не включает резервуар с исходной жидкостью.
В СВЧ-стерилизаторе один или оба электрода электролизера выполнены с покрытием из серебра с целью обеспечения одновременного воздействия на микроорганизмы СВЧ-энергии, электролиза и серебра в ионной форме, образующего под действием тока. Кроме этого, наличие в жидкостях серебра способствует их длительному хранению после обработки.
Таким образом, использование заявляемой совокупности признаков позволяет:
- уничтожить спорообразующие формы микроорганизмов при температуре 87-90°С и без повышения давления;
- предотвратить вторичное заражение жидкостей при их смене;
- увеличить производительность стерилизации и нагрева на 22-32%;
- сохранить питательную ценность жидкостей
- снизить энергозатраты.