УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ФЛЮИДА МИКРОВОЛНОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
DEVICE FOR MICROWAVE RADIATION PROCESSING OF FLUID

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к микроволновому устройству и способу обработки флюидов, шлама, полутвердых веществ и суспензий. Обработка включает в себя, например, нагревание, плавление, стерилизацию, пастеризацию, варку, стимулирование химических реакций и фракционирование.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны устройство и способы для обработки, стерилизации и пастеризации жидкостей с использованием микроволнового излучения. Обычно они включают сложные компоненты, которые являются трудоемкими и дорогими в изготовлении и конструировании, часто требующими волноводы и высокомощные источники энергии излучения, как указано в RU 2087084.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1
i
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения обеспечено устройство для обработки потока жидкости микроволновым излучением, при этом устройство содержит: сосуд, имеющий боковую стенку и противоположные первую и вторую торцевые стенки, определяющие, по существу, цилиндрическую камеру, при этом первая торцевая стенка расположена на заданном расстоянии d от второй торцевой стенки; трубопровод для протекания жидкости, при этом трубопровод проходит через первую торцевую стенку сосуда ко второй торцевой стенке сосуда, причем камера и трубопровод являются, по существу, соосными, и трубопровод является, по существу, прозрачным для микроволнового излучения; и входное отверстие в боковой стенке сосуда для пропускания микроволнового излучения с длиной волны λ внутрь камеры, при этом расстояние d является, по существу, равным целочисленному кратному от λ/2, так, что камера представляет собой микроволновой резонатор.
Устройство по настоящему изобретению обеспечивает высокоэффективное средство переноса энергии микроволнового излучения от источника микроволнового излучения к обрабатываемому флюиду.
Термины "обработка", "обрабатывать", "обработанный микроволновым излучением" и их производные формы могут включать в себя термическую обработку, нетермическую обработку и включать в себя любые из варки, пастеризации, стерилизации, коагуляции, фракционирования, и частичную или, по существу, полную деактивацию, или деструкции биомолекул и/или других молекулярных частиц, таких как вирусы и/или простейшие.
Обработки микроволновым излучением по изобретению являются особенно эффективными по отношению к белковым жидкостям, таким, например, как кровь или молоко. Обработка может привести к фракционированию или разрушению определенных компонентов белковой жидкости.
Для данного источника микроволнового излучения, обычно магнетрона, имеющего заданную рабочую частоту, длина волны (λ) полученного микроволнового излучения будет в определенной степени зависеть от параметров объемного резонатора и его содержимого. Так, например, в то время как магнетрон в 2,45 ГГц будет обеспечивать микроволновое излучение с λ=12,2 см в вакууме, обычно, в камере устройства по изобретению получается микроволновое излучение с λ=порядка 13,0 см.
1
1
1
1
1
1
Эффективность микроволнового резонатора, обеспечиваемого камерой сосуда является чувствительной к расстоянию d между противоположными торцевыми стенками сосуда, степень чувствительности при этом зависит от кратного λ/2, которому соответствует d. Эффективность крайне высоко чувствительна к отклонениям в d уже при ±1% от λ/2, но значительно менее чувствительна к отклонениям в d вплоть до ±10% от λ(=2×λ/2). Кроме того, эффективность снижается с увеличением кратности λ/2. Чем выше число кратности λ, тем более громоздким становится устройство. Следовательно, d желательно составляет от 1 до 3 раз от λ/2, предпочтительно, 1 или 2 раз от λ/2. Наиболее предпочтительно, dявляется, по существу, равным λ(=2×λ/2).
2
1
2
2
Внутренний диаметр d камеры сосуда является менее критичным, чем длина d. Однако желательно выбрать упомянутый диаметр d так, чтобы он не составлял больше чем 2λ и не меньше чем 0,6 λ. Желательно, d составляет от 1 до 2λ.
Стенки камеры сосуда обычно должны состоять из электропроводного материала (или быть покрытыми им), желательно, металла с высокой электропроводностью, предпочтительно, нержавеющей стали, меди, алюминия, бронзы и т.д. В целях удобства стенки камеры покрыты серебром или золотом. Материал, в общем, выбирают так, чтобы минимизировать утечку микроволнового излучения из внутренней части камеры сосуда или поглощение микроволнового излучения стенками камеры сосуда.
В настоящем изобретении можно использовать любой удобный источник микроволнового излучения. Можно использовать стандартный доступный на рынке магнетрон, такой как используется в микроволновом устройстве для приготовления пищи. Они широкодоступны, относительно дешевы и могут быть легко включены в устройство в соответствии с настоящим изобретением. Такие магнетроны обычно генерируют микроволны с частотой в диапазоне от 2,3 до 2,7 ГГц, например, примерно 2,45 ГГц или 2,6 ГГц (в соответствии с длинами волн (λ), которые обычно обеспечивают микроволновое излучение в камере, от 13,04 до 11,11 см, например, около 12,24 или 11,54 см).
1
1
1
1
1
Микроволновое излучение вводят в камеру сосуда через входное отверстие для микроволнового излучения через боковую стенку камеры сосуда. Предпочтительно, входное отверстие для микроволнового излучения смещено от центра по отношению к длине (d) камеры, желательно, при этом в положении, в котором уровень микроволновой энергии по длине центральной продольной оси составляет от 30 до 60%, преимущественно от 40 до 50% от максимального уровня энергии. Реальное положение между торцевыми стенками будет, конечно, зависеть от отношения между d и λ. Там, где d≈λ, там пригодное положение может, в принципе, находиться где угодно из 10-15%, 30-35%, 55-60% или 75-80% от d от торцевой стенки выше по потоку до торцевой стенки ниже по потоку. Однако наиболее предпочтительно входное отверстие для микроволнового излучения находится на 75-80% от d.
Расположение входного отверстия для микроволнового излучения ближе ко второй (ниже по потоку) торцевой стенке, по направлению к которой течет флюид, обеспечивает более плавную обработку и нагревание обрабатываемого флюида, текущего через трубопровод, так как жидкость будет являться частично обработанной перед достижением точки по длине трубопровода, где подается максимум микроволновой энергии.
Когда флюид присутствует в трубопроводе, обычно не надо обеспечивать защиту для источника микроволнового излучения, что помогает значительно снизить производственную стоимость и сложность устройства. Тем не менее, если желательно, можно использовать защиту от значительного отражения микроволновой энергии обратно в источник, в случае чего также можно использовать другие положения входного отверстия для микроволнового излучения без риска повреждения источника. Пригодные защитные устройства, в общем, хорошо известны в уровне техники, и обычно включают ферритовые компоненты, сконфигурированные для функционирования в качестве микроволновых обратных клапанов на волноводе, выходящем из магнетрона.
Можно использовать различные ориентации устройства, включающие в себя, например, устройство с горизонтальным расположением трубопровода и устройство с вертикальным расположением трубопровода. Последнее является, в общем, предпочтительным, так как оно, по существу, минимизирует риск захвата пузырьков газа внутри камеры, что могло бы, вероятно, привести к повреждению источника микроволнового излучения. Несмотря на это, можно также использовать другие расположения, например с наклонным трубопроводом. Там, где используют горизонтально расположенный трубопровод, можно обеспечить пригодные средства захвата пузырьков, различные примеры которых хорошо известны в области техники работы с флюидами. Например, конец трубопровода ниже по потоку может находиться в гидравлическом сообщении с трубой, выходное отверстие которой находится на более высоком уровне, чем устройство. Отсылки к боковым и торцевым стенкам камеры являются относительными к расположению трубопровода внутри камеры, вне зависимости от ориентации устройства.
Пригодный магнетронный источник микроволнового излучения, в общем, имеет обычную цилиндрическую стержневую антенну, выходящую наружу из основного корпуса магнетрона, через которую испускается микроволновое излучение. Камера сосуда сформирована и расположена для соединения с источником микроволнового излучения, так чтобы образовывать, по существу, непроницаемое для микроволнового излучения соединение. Корпус источника микроволнового излучения может быть сдвинут от боковой стенки камеры, так чтобы антенна, которая, в общем, имеет длину ≈λ/4, выходила из корпуса источника микроволнового излучения по направлению к камере сосуда и внутрь ее. Производительность устройства является относительно чувствительной к расположению дальнего и ближнего концов антенны относительно боковой стенки камеры и трубопровода.
3
3
Дистальный (свободный) конец антенны может выступать на заданном расстоянии d от боковой стенки камеры, меньшем или равном λ/4, и большем или равном 3λ/16. Так как соотношение d:λ отклоняется от предпочтительного соотношения, то существует увеличенный теплоперенос к магнетрону из-за отражения микроволн обратно в него, что может привести к повреждению магнетрона. Этот нежелательный перенос энергии также приводит к менее эффективной обработке текущего флюида. Предпочтительно, d3 составляет ±10% от λ/5.
1
4
5
4
5
4
5
1
Также экспериментально установлено, что производительность устройства является чувствительной к расположению антенны относительно торцевых стенок камеры по длине d камеры. Эти расстояния будут именоваться d и d, где d представляет собой расстояние до антенны от одной из торцевых стенок, d представляет собой расстояние до антенны от другой торцевой стенки, при этом d и d являются равными d.
В предпочтительном аспекте настоящего изобретения предложено устройство для обработки флюида, содержащее устройство для обработки флюида по изобретению, оборудованное источником микроволнового излучения, присоединенным к упомянутому входному отверстию для микроволнового излучения.
Устройство может быть снабжено средствами индикации и отслеживания температуры для индикации температуры обрабатываемого флюида. Пригодные температурные датчики включают в себя термометры сопротивления, термопары и т.д., но не ограничиваются ими. Такой температурный датчик можно присоединить к устройству управления источником микроволнового излучения, которое может изменять интенсивность подаваемого микроволнового излучения или, что более удобно, можно присоединить к регулятору потока флюида, такому как насос переменного расхода потока, клапан ограничения потока и т.д., для предотвращения перегрева жидкости. Это является важным там, где обрабатывают чувствительные к теплу флюиды, такие как биологические жидкости, кровь, плазма, молоко и т.д., и это является необходимым для предотвращения перегрева жидкости, например, для предотвращения затвердевания или коагуляции жидкости и т.д. Такое управление также является важным в определенных областях применения для создания возможности точного контроля температуры и времени воздействия в ситуациях, где эти параметры являются критичными, например варка, пастеризация, стерилизация, фракционирование или управление химическими реакциями.
Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что неконтактная природа нагрева, обеспечиваемого микроволновым излучением, в общем, обеспечивает значительно сниженный риск локализованного перегрева потока флюида, в частности, на внутренних стенках трубопровода.
Трубопровод, предпочтительно, состоит из, по существу, прозрачного для микроволнового излучения материала, который не поглощает микроволновую энергию в какой-либо значительной степени. Предпочтительно, такой материал имеет диэлектрическую постоянную в диапазоне от 2 до 4. Пригодные материалы включают в себя кварц, полиэтилен и, предпочтительно, ПТФЭ (политетрафторэтилен).
Стенка трубопровода может иметь любую удобную толщину, но должна являться достаточно прочной для выдерживания давления, оказываемого флюидом, прокачиваемым через трубопровод. В общем, трубопровод имеет толщину стенки в диапазоне от 3 до 10 мм, обычно 5-8 мм. Такой трубопровод может действовать в качестве диэлектрической антенны, сам по себе позволяя микроволнам распространяться через материал трубопровода до тех пор, пока они не будут поглощены флюидом в трубопроводе.
По мере того, как энергия микроволнового излучения увеличивает температуру флюида, текущего через трубопровод, диэлектрическая постоянная флюида снижается, и проникновение микроволнового излучения увеличивается. В результате этого флюид в центре (т.е. по длине центральной продольной оси) трубопровода подвергается более интенсивной обработке. Преимущественным образом, предусмотрено статическое или динамическое устройство смешивания внутри трубопровода для увеличения однородности обработки потока флюида между радиально внутренней и радиально внешней зонами трубопровода.
Для дальнейшего увеличения поглощения микроволнового излучения текущим флюидом устройство может содержать устройство предварительного нагревания. Такой предварительный нагреватель может иметь различные формы, включая в себя нагревательные элементы электрического сопротивления на основе контакта с флюидом, теплообменники и т.д., обеспечивающие нагревание посредством проводимости от теплообменной жидкости, пропускаемой через теплообменный элемент, другие типы источников энергии на основе излучения, таких как лучистая энергия или конвекционные нагреватели. В общем, предварительное нагревание желательно проводят, чтобы иметь требуемую температуру флюида. Это имеет преимущество в увеличении проникновения микроволновой энергии в флюид, таким образом, увеличивая эффективность процесса обработки. Там, где используется предварительный нагреватель, необходимо соблюдать осторожность для предотвращения локализованного перегрева флюида для предотвращения коагуляции и т.д. Например, когда нагревают кровь, не следует превышать температуру выше 40°С. Средство охлаждения, используемое для охлаждения магнетронов и, возможно, других компонентов, может быть использовано в качестве источника тепла для предварительного нагревания флюида.
Для движения нагреваемого флюида через трубопровод можно установить насос. Пригодными являются разнообразные насосы, включающие (но не ограничивающиеся ими) шестеренчатые насосы, насосы возвратно-поступательного поршневого и цилиндрического типа, лопастные насосы, поршневые осевые роторные насосы, перистальтические насосы и нагнетательные устройства объемного типа при эксплуатации в качестве насосов, винтовые насосы кавитационного типа и т.д.
Устройство можно создать в модульной форме с множеством отдельных устройств по изобретению, соединенных последовательно так, что поток флюида можно подвергнуть микроволновому облучению от соответствующих источников микроволнового излучения от последовательных модулей. Это имеет преимущество создания возможности достижения большого времени пребывания под обработкой для данной скорости потока, поддерживая при этом высокие скорости потока и/или оптимальную индивидуальную конфигурацию модуля устройства микроволновой обработки. В этой связи концы трубопровода ниже по потоку и выше по потоку последовательных модулей можно соединить вместе так, чтобы создать возможность, по существу, непрерывного потока флюида через них. В качестве дальнейшей альтернативы, множество модулей можно соединить параллельно.
6
6
Предпочтительно, внешний диаметр трубопровода d составляет ≥λ/π. Например, когда используют микроволны с λ, примерно равной 13 см, d, предпочтительно, находится в диапазоне от 41 мм до 65 мм, наиболее предпочтительно, от 45 мм до 50 мм для ограничения взаимодействия источников микроволнового излучения соединенных между собой модулей. Путем соединения между собой камер сосудов флюид, текущий через трубопроводы, можно последовательно обработать во множестве камер сосудов по мере того, как он течет через трубопровод. Путем увеличения числа соединенных камер сосудов скорость потока флюида можно увеличить, способствуя тем самым обработке больших объемов флюида. Между отдельными модулями можно ввести разделители для увеличения длины трубопровода для любого данного количества модулей обработки. Путем варьирования количества модулей обработки время удерживания флюида можно изменять для любой данной температуры.
На выходном отверстии устройства можно обеспечить систему регулировки давления для того, чтобы изменять давление в устройстве. Это может помочь изменить пределы параметров обработки, которые ограничены физическими свойствами материалов и конструкций трубопровода.
6
Когда некоторое количество камер сосудов является взаимно соединенными, существует возможность проникновения микроволн в соседние камеры сосудов. Было обнаружено, что там, где предпочтительный внешний диаметр трубопровода d также составляет меньше чем λ/2, и торцевые стенки камеры имеют форму диафрагмы вокруг трубопровода, число случаев проникновения микроволн между камерами сосудов снижается. Обычно, диафрагма состоит из металла, такого как золото, медь или бронза. В качестве альтернативы также можно использовать нержавеющую сталь, хотя это будет и менее эффективно. Решетчатый металл также будет являться пригодным. Однако это обычно дороже, чем листовой металл.
7
2-
6
Предпочтительно, толщина кольцевого пространства между внутренней частью камеры сосуда и внешней частью трубопровода (d) (т.е, dd) равна λ/2 ±1%.
8
8
8
Внутренний диаметр трубопровода d выбирают, чтобы он составлял пригодный размер в зависимости от флюида, который необходимо обработать, и прохода через него микроволн. Чем больше проникновение микроволн, тем больше может составлять d, все еще обеспечивая при этом эффективную обработку флюида в центре трубопровода. Например, известно, что микроволны могут проникать приблизительно через 10-12 мм воды, в то время как в крови они могут проникать дальше, при этом проникновение увеличивается по мере увеличения температуры крови. Более высокий уровень проникновения для нагретой крови наблюдается при примерно 15 мм. Было обнаружено, что трубопроводы с внутренним диаметром d от 30 мм до 32 мм являются пригодными в устройстве для обработки крови.
1
8
6
Также было обнаружено, что значения размеров d-d компонентов устройства можно обычно определить следующим способом. Внутренний диаметр камеры d2 определяют на основе легко доступных стандартных труб, которые имеют подходящий размер для создания устройства практического размера и удовлетворяют предпочтительному диапазону, т.е. имеют размер не менее чем 0,6 λ и не более чем 2λ. Затем выбирают трубу. Она должна иметь внутренний диаметр d8, пригодный для обрабатываемого флюида, как описано выше, и внешний диаметр, который попадает в предпочтительный диапазон λ/π≥d<λ/2.
1
3
4
5
3
4
Значение d, в общем, задают в соответствии с выбранным кратным λ/2, и остающиеся размеры d и d (и, следовательно, d) можно легко определить экспериментально. Это обычно осуществляют путем измерения увеличения температуры обрабатываемого флюида и магнетрона в течение периода в 1 минуту для различных значений d и d, при этом желательными значениями являются такие, которые обеспечивают максимальное увеличение температуры флюида и минимальное - температуры магнетрона. Такое расположение обеспечивает наиболее эффективные условия нагревания флюида, так как количество микроволновой энергии, отраженное обратно в магнетрон и, следовательно, не поглощенной флюидом, минимизируется.
В дальнейшем аспекте, настоящее изобретение обеспечивает способ обработки флюида микроволновым излучением, содержащий этапы, на которых: создают устройства для обработки флюида по настоящему изобретению; и пропускают поток упомянутого флюида через трубопровод устройства, подвергая его при этом воздействию микроволнового излучения от источника микроволнового излучения устройства.
Скорость потока флюида через устройство можно изменять, как требуется, в зависимости от различных факторов, таких, как пропускная способность трубопровода, приемлемое встречное давление флюида, требуемая интенсивность обработки, температура обработки, подаваемая микроволновая энергия, температура подаваемого флюида, свойства флюида, такие, как содержание суспендированных твердых веществ, диэлектрическая постоянная, уровни проводимости, проникновение микроволн, степень смешивания и т.д. В общем, пригодные скорости потока можно легко определить простым методом проб и ошибок. Для удобства в, по меньшей мере, некоторых случаях пригодную скорость потока можно получить просто путем подстройки скорости потока так, чтобы достигнуть заданного уровня температуры на конце устройства ниже по потоку (является ли это однокамерным устройством или же многокамерным модульным устройством). Таким образом, например, для стерилизации отработанной биологической жидкости, такой, как кровь, скорость потока, предпочтительно, регулируют так, чтобы достичь температуры жидкости в, по меньшей мере, 98°С при атмосферном давлении.
Перемешивающее устройство может быть предусмотрено для перемешивания флюида по мере того, как он течет через устройство. Это снижает вероятность блокировки трубопровода из-за нарастания осадка или коагулировавшего осадка в трубопроводе, и облегчает обслуживание устройства путем снижения времени, требуемого для очистки системы. Перемешивающее устройство снижает риск возникновения "горячих точек" по мере того, как устройство эксплуатируется. Особенно простое и удобное перемешивающее устройство включает удлиненный стержень, например стержень из нержавеющей стали в 3-4 мм, или спиральную проволоку, или металлический стержень, который проходит центрально по длине трубопровода и присоединен с возможностью передачи приводного усилия на одном конце к приводному устройству, обычно, к электронному мотору. Предпочтительно, проволока или стержень должны быть покрытыми и/или защищенными трубкой из ПТФЭ соответствующего внутреннего диаметра.
В густых жидкостях типа крови перемешивающее устройство лучше всего устанавливать на одной стороне втулки так, чтобы перемешивающее устройство было расположено на расстоянии 0,5 мм от стенки трубопровода. Несколько перемешивающих устройств может быть размещено парами на противоположных сторонах втулки в зависимости от природы флюида. Скорость вращения является критичной и зависит от обрабатываемого флюида, и задачи обработки. В случае высокобелковой жидкости, типа крови, скорость в 2800 об/мин является оптимальной. Для других флюидов и областей применения оптимальную скорость можно установить методом проб и ошибок.
Направление потока флюида через устройство вращения является важным. В общем, там, где флюид является вязким, скорость потока является относительно высокой (17 литров в минуту), или где существует большое количество суспендированных твердых веществ, лучшим является течение флюида от устройства вращения. Этого можно достичь путем расположения блока вращения на конце камеры обработки ниже по потоку. Там, где поток является низким (ниже 17 л/мин) и флюид является вязким без большого количества суспендированных твердых веществ, лучшим является течение флюида к устройству вращения. Этого можно достичь путем расположения блока вращения на конце камер обработки выше по потоку.
В определенных обстоятельствах, в особенности там, где флюид является очень вязким и уровень суспендированных твердых веществ является высоким, желательно изменять направление вращения с регулярными интервалами для обеспечения отсутствия накопления твердого материала на устройстве вращения. В случае крови такой интервал составляет десять минут.
В зависимости от типа обрабатываемого флюида и температур обработки может быть необходимо покрыть перемешивающее устройство пригодным материалом для предотвращения адгезии флюида или его составляющих. Такие пригодные материалы представляют собой ПТФЭ и ПЭЭК, но не ограничиваются ими. В таких обстоятельствах может являться лучшим введение перемешивающего устройства в трубку, изготовленную из пригодного материала. Такая трубка может иметь внутренний диаметр такой же, что и внешний диаметр перемешивающего устройства. При использовании такого способа, втулку, соединяющую перемешивающее устройство и устройство вращения, следует конструировать в виде двух половинок, чтобы ее можно было использовать в качестве зажима для присоединения перемешивающего устройства и его покрытия к устройству вращения. В определенных случаях, когда скорость перемешивающего устройства является медленной, с преимуществом можно использовать альтернативные материалы для замены стержня или проволоки из нержавеющей стали. Такие материалы должны являться, по существу, прозрачными для микроволнового излучения и не должны поглощать микроволновую энергию в какой-либо значительной степени. Предпочтительно, такой материал имеет диэлектрическую постоянную в диапазоне от 2-4. Такие материалы включают в себя ПТФЭ (политетрафторэтилен) и ПЭЭК (полиэфирэфиркетон), но не ограничиваются ими. Диаметр стержней, изготовленных из этих материалов, будет являться, в общем, большим, чем у их эквивалентов, изготовленных из нержавеющей стали.
Большое разнообразие флюидов, эмульсий, суспензий, полутвердых веществ и твердых веществ, переносимых в флюиде, можно обрабатывать при помощи настоящего изобретения для различных целей. Так, многие жидкости, используемые и обрабатываемые в пищевой промышленности, такие, как молоко, кровь, фруктовые соки, продукты пивоварения и жиры, можно стерилизовать, пастеризовать, варить или расплавлять. Многие твердые вещества, способные переноситься жидкостью, типа риса, потрохов, мяса механической обвалки, можно стерилизовать, пастеризовать или варить. Многие высокобелковые жидкости, в особенности, биологические жидкие материалы, такие, как жидкости организма, включающие в себя одну или более из крови, сыворотки, лимфатической жидкости, также как и отходы пищевой и пивоваренной промышленности можно фракционировать путем коагуляции и/или стерилизовать так, чтобы сделать их приемлемыми для сброса в городскую канализационную сеть или любые другие простые устройства. Флюиды, содержащие несколько реагентов, можно обработать для улучшения времени реакции и выходов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дальнейшие предпочтительные признаки и преимущества изобретения станут ясными из следующих примеров и подробного описания, проиллюстрированного со ссылками на сопровождающие чертежи, из которых:
Фиг.1 изображает схематический вид в разрезе через устройство для обработки флюида;
Фиг.2 изображает схематический вид другого многомодульного устройства для обработки флюида;
Фиг.3 изображает схему системы обработки отходов крови;
Фиг.4 изображает более подробно систему обработки отходов крови; и
Фиг.5 изображает схему еще одного многомодульного устройства для обработки флюида.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1
2
На фиг.1 показано устройство 1 для обработки жидкости, содержащее сосуд 2 с первой торцевой стенкой 3 выше по потоку и второй торцевой стенкой 4 ниже по потоку, удаленных друг от друга на расстояние d, и боковую стенку 5, которая определяет, по существу, цилиндрическую камеру 6 внутреннего диаметра d. Стенки сосуда выполнены из нержавеющей стали, так как она является относительно недорогой и практичной, хотя можно также использовать другие металлы, такие, как золото, медь или бронзу, которые снижают потерю микроволновой энергии у стенок.
Магнетрон 7 соединен с трубчатым входным отверстием 8 на боковой стенке 5, через которое антенна 9 магнетрона 7 проходит во внутреннюю часть камеры 6. Входное отверстие 8 на боковой стенке соединено при помощи сварки с передней, по существу, плоской поверхностью 10 корпуса 11 магнетрона 7, образуя, по существу, не проницаемое для микроволнового излучения уплотнение между сосудом 2 и магнетроном 7.
1
4
5
5
3
1
2
3
Магнетрон 7 соединен с сосудом 2 в положении, смещенном от центра по отношению к расстоянию d, разделяющему между собой внутренние торцевые стенки, так что антенна 9, которая проходит, по существу, параллельно торцевым стенкам 3, 4 сосуда, находится на расстоянии d=10,5 см от первой торцевой стенки 3 и d=2,5 см от второй торцевой стенки 4 сосуда 2. Расстояние d легко определить экспериментально так, что антенна 9 будет расположена приблизительно в средней точке между максимальной точкой и минимальной точкой электрического поля стоячей волны по длине сосуда. Магнетрон 7 имеет выходную частоту микроволн примерно в 2,45 ГГц и выходную мощность в 1400 Вт и генерирует микроволны в камере с длиной волны (λ)=примерно 13 см. Микроволновое излучение испускается из антенны 9 внутрь камеры 6. Дальний конец 13 антенны 9 выступает на расстояние d от боковой стенки 5 камеры 6. Каждый из различных более или менее критичных размеров устройства имеет следующее соотношение с длиной волны: d≈λ; d≈1,3λ; d≈λ/5.
6
8
Сосуд 2 имеет трубопровод 14, который проходит внутрь и через камеру 6 сосуда 2 от первой торцевой стенки 3 по направлению к второй торцевой стенке 4 сосуда 2. Трубопровод 14 является, по существу, соосным и концентрическим с цилиндрической камерой 6. Торцевые стенки сосуда 3, 4 изготовлены из металла, такого как медь или бронза. Стенка трубопровода 15 выполнена из ПТФЭ (который, по существу, является прозрачным для микроволнового излучения). Микроволновое излучение входит во внутреннюю часть трубопровода 16 через стенку трубопровода 15. Трубопровод 14 имеет внешний диаметр d≥λ/π (приблизительно 48 мм) и внутренний диаметр d приблизительно в 30 мм.
Обрабатываемый устройством 1 флюид 17 течет через трубопровод 14 в направлении, показанном стрелками, от первой торцевой стенки 3 сосуда 2 ко второй торцевой стенке 4 сосуда 2, и подвергается воздействию микроволнового излучения по мере того, как проходит через внутреннюю часть трубопровода 16 через камеру 6.
2
1
1
Микроволновое излучение, резонирующее в камере сосуда, приводит к изменению уровня входной мощности излучения, обеспечиваемого по длине продольной оси трубопровода между первой и второй торцевыми стенками камеры сосуда. По существу, равномерные значения энергии можно получить, когда соотношение диаметра dкамеры сосуда и длины d находится в диапазоне 1-2. При таких условиях, и когда микроволновое излучение входит в камеру сосуда в предпочтительном положении по длине оси трубопровода между первой и второй торцевыми стенками камеры сосуда, резонирующее микроволновое излучение имеет максимальную интенсивность в одном или более положениях между первой торцевой стенкой и второй торцевой стенкой камеры сосуда (в зависимости от того, скольким единицам λ/2 соответствует d), и минимальную интенсивность микроволн на торцевых стенках сосуда (и между максимумами, там, где их два или более).
Для устройства по фиг.1 энергия резонирующего микроволнового излучения увеличивается прогрессивно, в общем, синусоидальным образом по длине центральной продольной оси трубопровода 14 от минимального значения на первой торцевой стенке 3 сосуда 2 до максимального значения в примерно 25% расстояния между противоположными торцевыми стенками от первой торцевой стенки 3 сосуда 2. Энергия затем снижается до нуля перед увеличением до другого максимума в 75% и, наконец, снижается снова до нуля по мере приближения ко второй торцевой стенке 4 сосуда.
1
1
1
1
В общем, было обнаружено, что когда d представляет собой кратное λ/2, максимумы энергии микроволнового излучения можно обнаружить в положениях, равных 25% и 75% d по длине d, и минимумы энергии у 0%, 50% и 100% d по ее длине, хотя подробное распределение энергии внутри камеры является сложным. Внутри трубопровода распределение также зависит от свойств флюида. Например, когда жидкость, такая как кровь, с высоким уровнем электрической проводимости течет через трубопровод, микроволны могут проникнуть дальше, радиально внутрь трубопровода, нежели чем тогда, когда обрабатывают флюиды, такие, как водопроводная вода с относительно низкой проводимостью. Проводимость обрабатываемого флюида, следовательно, также является определяющим фактором в выборе диаметра трубопровода.
На фиг.2 показана модульная форма устройства обработки жидкости 18, в котором множество отдельных модулей 19, подобные устройству, показанному на фиг.1, соединены последовательно. Торцевые стенки 3 выше по потоку сосудов 2 модулей 19 соединены с торцевыми стенками 4 ниже по потоку сосудов 2 последовательных (ниже по потоку) модулей 19. Стенки 3, 4 сосудов скреплены друг с другом с возможностью разъема для удобства, при помощи разъемных креплений, таких, как болты и гайки. Стенки 3, 4 сосуда сформированы из меди или бронзы и имеют форму диафрагмы, которая минимизирует распространение микроволнового излучения между соседними модулями 19, при этом диафрагма и трубопровод 20 находятся в относительно близком контакте друг с другом.
6
1
2
1
2
Одиночный общий трубопровод 20 проходит через сосуд 2 отдельных модулей 19 для создания сегмента 21 трубопровода на каждом модуле 19. Флюид 17, текущий через трубопровод 20, в направлении, показанном стрелками, последовательно входит в последовательные модули 19, каждый из которых снабжен магнетроном 7, как на фиг.1. Магнетроны 7 каждого модуля 19 обеспечивают микроволновое излучение для обработки флюида 17, присутствующего в соответствующем сегменте 21 трубопровода 20 модуля 19. Флюид 17 подвергают последовательным обработкам микроволновым излучением в последовательных модулях 19 по мере того, как он течет по трубопроводу 20. Трубопровод 20, ограниченный по внешнему диаметру d порядка λ/π так, чтобы ограничить передачу микроволнового излучения от камеры 6 одного модуля 19 к другому 19 и минимизировать взаимодействие магнетронов 7 во взаимно соединенных модулях 19, 19.
Насос Р и два клапана 22 выше по потоку сосуда 2 управляют скоростью потока флюида через трубопровод 14. Температурный датчик 23 предусмотрен для считывания температуры флюида, обрабатываемого в трубопроводе 14 сосуда 2. Блок 24 управления отслеживает температуру. Блок 24 управления присоединен 25 к насосу Р и магнетрону 7. Блок 24 управления управляет скоростью, с которой насос Р прокачивает флюид через трубопровод 14 (и, необязательно, выходную мощность магнетрона 7) в соответствии с температурой текущего флюида 17 для обеспечения того, чтобы флюид 17 достаточно нагревался для обеспечения адекватной обработки, но предотвращался перегрев флюида 17. Чтобы предотвратить нарастание отложений из обрабатываемого флюида на стенке трубопровода 15, установлен блок 26 вращения потока, включающий, в общем, жесткую спиральную проволоку 27, присоединенную 28 с возможностью передачи приводного усилия к приводу ротора 29 в виде электрического мотора М.
На фиг.3 показана система 30 обработки отходов крови, содержащая сосуд 31 для хранения жидких отходов крови, которые переносят оттуда при помощи насоса 32. Предварительный нагреватель 33 обеспечен для нагрева жидких отходов крови до примерно 35-37°С для увеличения эффективности обработки микроволновым излучением, избегая при этом риска поднятия температуры отходов крови до уровня, при котором могла бы произойти коагуляция. Обеспечено устройство микроволновой обработки 34. Оно имеет ряд отдельных модулей, например десять (как описано по отношению к фиг.1), соединенных последовательно (как показано на фиг.2). Устройство 34 микроволновой обработки включает в себя перемешивающее устройство 35 в форме блока вращения потока, который активируют, когда жидкость течет через устройство.
Устройство, в общем, подобное таковому, показанному на фиг.2, но содержит две спиральные проволоки из нержавеющей стали, при этом каждая проволока имеет диаметр приблизительно 4 мм, свитые вместе с образованием более жесткой и более эффективной мешалки. Эксплуатация блока вращения потока для вращения флюида помогает предотвратить блокировку трубопровода и снижает время, требуемое для очистки системы. Температура обрабатываемых отходов крови на выходе 36 из устройства 34 микроволновой обработки будет обычно достигать температуры в пределах от 80 до 100°С. В результате, в общем, будет происходить разделение обработанных отходов крови на шлам и концентрированную жидкость. Жидкую часть вводят в отстойный резервуар 37, и после необходимого периода отстаивания (обычно 30 минут) жидкую фазу сбрасывают в канализацию 38.
Если требуется дальнейшая обработка-стерилизация, жидкую часть обработанных микроволнами отходов крови можно пропустить в аппарат 38 дальнейшей обработки, для удобства с использованием высоковольтного импульсного электрического разряда, выполненного напрямую в жидкость так, как это описано в WO 99/47230, содержание которого включено в данное описание посредством ссылки. Шлам можно использовать напрямую в качестве органического удобрения или сначала обезводить при помощи центрифуги 40.
Для поддержания оптимального функционирования, система 30 включает температурный датчик 41 для измерения температуры отходов крови на выходе 36 из устройства 34 микроволновой обработки. Также обеспечен блок 42 управления для отслеживания и регулировки скорости потока отходов крови, который можно необязательно присоединить к температурному датчику так, чтобы регулировать поток пригодным образом, чтобы поддерживать температуру вытекающей жидкости на подходящем уровне. Блок 43 подведения энергии предназначен для управления магнетронами источника микроволнового излучения устройства 34 микроволнового излучения.
На фиг.4 показан более подробный вид системы обработки отходов крови, подобной изображенной на фиг.3. Стрелки указывают направление потока жидкости. Обрабатываемые жидкие отходы поступают в первый сосуд 50 для хранения через фильтр 52 грубой очистки, состоящий из 8-мм сетчатого фильтровального мешка, помещенного сверху 3-мм сетчатого фильтровального мешка, из которого их прокачивают при помощи насоса 54 через второй фильтр 56, по существу, подобный первому фильтру, во второй сосуд 58 для хранения. Жидкие отходы прокачиваются посредством второго насоса 60 через шаровой клапан 62 и мембранный клапан 64. Шаровой клапан 62 представляет собой простое и надежное устройство, но не может легко обеспечить регулируемую и точную скорость потока флюида, что является необходимым для регулировки потока перед тем, как включат магнетрон. Мембранный клапан 64 обеспечивает эту регулировку.
Когда устройство необходимо очистить, в устройство можно подать воду через входное отверстие 66 для воды под управлением шарового капана 67 и пропустить через трубы. Обрабатываемые жидкие отходы проходят через измеритель 68 потока, который отслеживает и управляет скоростью потока жидкости, и внутрь двух электрических предварительных нагревателя 69, соединенных последовательно, из которых они текут в блок вращения потока, как описано для фиг.3, и в первый реактор 72 для обработки микроволновым излучением. Каждый реактор 72 содержит ряд из десяти модулей, соединенных, как описано для фиг.2. Жидкие отходы текут через соединяющие трубы 73 в четыре реактора 72 дальнейшей обработки, соединенных последовательно и оборудованных соответствующими блоками 70 вращения потока. После обработки обработанную жидкость собирают в отстойный резервуар 74, из которого откачивают жидкую фазу (при помощи насоса 76) через выходное отверстие 78 для воды напрямую в наружную канализацию или в центрифугу 79 для дальнейшего разделения жидких и твердых компонентов. Жидкую фазу и твердую фазу сбрасывают через выходное отверстие 80 для жидкой фазы и через выходное отверстие 82 для шламового кека.
1
2
6
8
Кровь со скотобойни пропускали через устройство, как показано на фиг.4, с 50-ю модулями, при этом каждый имел длину камеры d и диаметр d в 13 см и 17 см соответственно, через трубопровод, имеющий внешний диаметр d в 48 мм и внутренний диаметр d в 30 мм, и при этом каждый из них содержит магнетронный источник микроволн в 1400 Вт, обеспечивающий микроволновое излучение с длиной волны в 12,24 см внутри камеры. Кровь прокачивали через устройство со скоростью в 2000 литр/час, обеспечивая, таким образом, время пребывания в каждой камере устройства в 15 секунд и общее время пребывания под обработкой микроволновым облучением в 12,5 минут. Кровь предварительно нагревали так, что температура крови на конце устройства выше по потоку составляла 35-37°С, которую увеличивали до примерно 90-98°С у конца устройства ниже по потоку.
Преимущество обработки свежих отходов крови, вырабатываемых скотобойнями, было подтверждено путем измерения пропорции твердых веществ и жидкости, получающихся от фракционирования крови путем коагуляции и путем анализа составных частей каждой фракции. Было обнаружено, что практически весь белок, содержащийся в крови, оставался в твердой фракции, которая представляет собой 50-60% общего обработанного, оставляя жидкость (40-50%), состоящую, в основном, из воды с сильно сниженной биологической потребностью кислорода (BOD). BOD этой жидкости является достаточно низкой для простой обработки в обычной канализационной системе. BOD крови оценивали с использованием стандартных процедур, как описано в "Standard Methods of Water and Waste Water Analysis" в соответствии с регламентом Американской ассоциации здравоохранения. Показатели потребности кислорода BOD (биологическая потребность кислорода) и COD (химическая потребность кислорода) обрабатываемой жидкости обычно снижаются в 20-25 раз при сравнении с необработанной кровью. Реальная степень снижения BOD и COD, достигнутая в любом данном случае, зависит от типа крови, ее возраста и степени ее разбавления и т.д. Например, когда обрабатывали отходы овечьей крови, BOD снижалась от 72000 мг/мл до 4000 мг/мл, а когда обрабатывали куриную кровь, BOD снижалась от 23000 мг/мл до 918 мг/мл.
Также при снижении объема выбрасываемого материала концентрированные высокобелковые твердые вещества становятся стерильными и свободными от каких-либо патогенов. Это дает возможность хранить твердый материал в течение длинных периодов, если асептически наполнять им стерильные резервуары. Это позволяет использовать эти твердые вещества в качестве высококачественного источника белка еще и в промышленности.
На фиг.5 показан пример системы 84 обработки отходов для использования на скотобойне. Эта система является полностью компьютеризированной, с PLC, регулирующим все аспекты процесса. В этом примере схема имеет клапан 86 «вкл./выкл.», делающий возможным доступ к сырой крови, резервуар 88 для хранения сырого материала с датчиком 90 уровня, клапан 92 для включения или выключения потока, мацератор 94, насос 96, технологический резервуар 98 для хранения с датчиком 100 уровня, двухходовой клапан 102, включающий в себя точку присоединения для очистки 104 водой, измеритель 106 потока (управление потоком и запись объема), блок 108 теплообмена, три камеры обработки в соответствии с изобретением, скомпонованные горизонтально последовательно 110, герметичный буферный резервуар 112 с датчиком 114 уровня, питаемый шнеком нагнетательный поршневой насос 116, теплоутилизатор, двухходовой клапан 118 для перенаправления частично обработанной крови обратно в резервуар 88 для хранения и систему 120 обезвоживания.
Кровь со скотобойни поступает в резервуар для сырого материала и ее прокачивают через мацератор 94 в технологический резервуар 98 из нержавеющей стали для хранения по требованию. Каждый из резервуаров 88 и 98 для сырого материала и технологический для хранения оборудован датчиком 90 и 100 уровня, что обеспечивает указания аварийно-высокого, высокого, низкого и аварийно-низкого уровня. Когда кровь в резервуаре для хранения достигает высокой точки/уровня, система PLC автоматически выключает мацератор 94 и насос 96. Резервуар для хранения и внешняя подача воды соединены с системой обработки при помощи двухходового клапана и насоса. На этой стадии установлен электронный измеритель потока для регулировки/записи входящих объемов крови.
о
Во время запуска воду вводят при помощи двухходового клапана в камеры 110 для обработки. Затем включают систему охлаждения магнетрона водой для охлаждения магнетронов. Когда измеритель потока показывает присутствие воды в системе, нити магнетронов в камерах 110 обработки включаются, и через две минуты высоковольтные блоки питания всех магнетронов включаются последовательно. Воду можно подать из источника водопроводной воды скотобойни или из независимого резервуара с отдельным насосом и невозвратным клапаном. Воду сначала прокачивают с заранее установленной скоростью (в этом случае 1200 литров в час). Это обеспечивает быстрый подъем температуры воды, однако предотвращает перегрев. Когда температура воды, покидающей последнюю камеру обработки, достигает желаемой температуры (65С), кровь впускают и воду отключают при помощи двухходового клапана. Затем через первый теплообменник 108 прокачивают кровь, где ее нагревают до примерно 39-40°С перед пропусканием в три камеры 110 обработки. Все камеры являются включенными в любое заданное время, хотя каждую можно обойти для обеспечения возможности очистки и удаления засоров без подвергания риску. Давление и поток крови, так же, как и входную и выходную температуры каждой камеры обработки отслеживают при помощи PLC. Это позволяет PLC контролировать температуру конечного продукта на желаемом уровне (95-100°С) путем настройки скорости насоса.
Последняя камера блока обработки присоединена при помощи трубы из нержавеющей стали к герметичному термически изолированному буферному резервуару. Последний присоединен при помощи насоса ко второму герметичному охлаждаемому водой блоку теплообмена, где температуру обрабатываемого осадка снижают от 100°С до температуры окружающей среды. Путем использования температуры обработанного материала горячую воду можно вернуть обратно на скотобойню в качестве части схемы по экономии энергии.
После охлаждения до комнатной температуры обработанную густую жидкость подают в систему 120 обезвоживания, которая может представлять собой простой резервуар с выходным отверстием для фильтрованной воды на дне или винтом для откачивания воды, или центрифугой, если необходимо, где обработанный материал оставляют для обезвоживания. После удаления воды твердый "кек" затем можно удалить и продать.
Если требуется стерильный материал, то конечный буферный резервуар, насос и систему обезвоживания заменяют на асептический горячий загрузочный трубопровод, который дает возможность пустить стерильный обработанный материал в асептические резервуары для поддержания срока хранения.
Обеспечен аварийный/очистной режим, в случае, если какой-либо полумягкий органический материал прилипнет к стенкам камер обработки и постепенно нарастет, и заблокирует поток. Раннее обнаружение такой ситуации достигается путем отслеживания любых увеличений технологического давления. Эта система разработана для эксплуатации при давлении до 2 бар, но, в общем, функционирует примерно при 0,4 бар. Хотя и редко, небольшое увеличение давления (0,2 бар) указывает на небольшое нарастание, которое быстро удаляется путем отключения крови и промывания водой в течение нескольких минут. Это можно осуществить регулированием скорости насоса.
На практике самым уязвимым компонентом является третья 110 камера обработки. На этой стадии жидкость является липкой и высоко вязкой, с полутвердыми включениями. Полутвердые частицы могут прилипнуть к внутренним стенкам камеры обработки и превратиться в центры нарастания полутвердых образований. Путем изменения направления устройства вращения и, в то же время введения воды, можно обеспечить быстрое удаление любого твердого нароста.
Escherichia coli
Salmonella enterica
Salmonella enterica
Clostridium perfringens
или эквивалентах
Enterococcus faecalis
Salmonella enterica
Escherichia coli
Clostridium perfringens NCTC 3181
Система по фиг.5 способна производить стерильный материал с выходной температурой, по меньшей мере, 98°С при атмосферном давлении. Экстенсивная культивация любого продукта при температуре в 98°С или выше (максимальная испытанная 105°С) не смогла показать какие-либо жизнеспособные бактерии любых видов (как грамм-положительные, так и отрицательные спорогенные) в материале из крови со скотобойни из системы по фиг. 5. Испытания проводили на  NCTC 10418,  sv typhimurium NCTC 74 (ATCC 13311),  sv seftenberg NCTC 9959,  NCTC 3181 , и на  NCTC12697. Некоторые из этих бактерий легко убить термическим нагреванием в диапазоне 80-85°С. Поэтому, в случае грамотрицательных бактерий типа  и  NCTC 10418 сложно разделить термическое и микроволновое влияния. Однако в случае  полное уничтожение только термическим способом потребовало бы температур, давлений и времени удерживания больших, чем описанные выше. Следовательно, настоящее изобретение является более эффективным в убивании патогенов, чем обычные системы, и может быть использовано для пастеризации и стерилизации жидкостей при гораздо более низких температурах, чем потребовались бы, если бы использовалось только нагревание.
Микроволновая обработка отходов крови или других высокобелковых жидкостей имеет значительные преимущества по сравнению с традиционными способами тепловой обработки с использованием поверхностей теплопереноса. Перенос микроволновой энергии непосредственно в толщу жидких отходов крови, текущих через трубопровод, делает возможным избежать определенных проблем, связанных с неизбежными значительными разницами в температурах, возникающих между стенками и/или нагревательным элементом, и различными частями обрабатываемой жидкости. Эта разница ведет к локальному перегреву, приводящему к коагуляции крови и к отложению твердых пленок или покрытий на нагреваемых поверхностях. Такие отложения имеют крайне низкую теплопроводность, что значительно снижает теплоперенос от источника тепла к нагреваемой жидкости, приводя к серьезно сниженной эффективности обработки и к перегреву нагревательных элементов и их возможному повреждению. В менее экстремальных случаях разница температур может вызвать локализованное возгорание жидкости и создать изменения запаха.
Настоящее изобретение является более энергетически эффективным, чем известные системы. В ситуациях, когда полное восстановление тепла от электрических компонентов является возможным, и это восстановленное тепло можно использовать для предварительного нагревания входящей жидкости, имеется возможность доставить от 85% до 90% потребленной электрической энергии в высоко поглощающую жидкость типа крови. Комбинация нагревания, интенсивных электромагнитных полей и микроволнового излучения, созданная внутри отдельных камер обработки, оказывает большее влияние на молекулярные структуры составных компонентов жидкости, чем только нагревание. Это проявляется несколькими способами. Наиболее заметным свидетельством этого действия является снижение в температурах, давлениях и времени удерживания для достижения полной стерилизации, дезинтеграции белков при гораздо более сниженных температурах и давлениях, и в увеличении в выходах и времени реакций определенных химических реакций. Снижение температуры и давления, требуемых для стерилизации, снижает потенциальный ущерб и для некоторых продуктов делает возможным сохранение структуры. Для пищевых продуктов это также может сделать возможным сохранение аромата, например, в жидких пищевых продуктах типа молока, свежевыжатого апельсинового сока и т.д. Другие преимущества заключаются в том, что устройство занимает мало места и имеет крайне низкое время запуска и отключения, что обеспечивает низкозатратную эксплуатацию в режиме ожидания.
Специалист в данной области техники поймет, что вариации раскрытых схем являются возможными без выхода за пределы изобретения. Хотя компьютерная система управления была описана как PLC, можно использовать любой пригодный компьютер или процессор. Соответственно, вышеприведенное описание предпочтительных вариантов осуществления приведено лишь как пример, а не для ограничения. Специалисту в данной области техники будет ясно, что можно осуществить небольшие модификации без значительных изменений описанной операции.