СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНЫХ ТКАНЕЙ С ЦЕЛЬЮ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИЗ НИХ РАСТИТЕЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА, В ЧАСТНОСТИ СОКА
METHOD AND APPARATUS FOR TREATING VEGETABLE TISSUES IN ORDER TO EXTRACT THEREFROM VEGETABLE SUBSTANCE, IN PARTICULAR JUICE

Изобретение касается обработки собранного урожая растений и, в частности, обработки собранных растений с целью извлечения из них растительного вещества, в частности сока.
В частности, изобретение касается обработки растительных тканей импульсным электрическим полем.
Наиболее предпочтительным применением изобретения является обработка сахарной свеклы для сахарной промышленности.
Ранее уже было предложено обрабатывать свекловичную стружку или стружку другого растительного сырья, такого как цикорий, картофель, морковь, фрукты, импульсным электрическим полем с целью извлечения из них веществ.
Действительно, при воздействии импульсов электрического поля на растительную ткань клеточные мембраны ткани становятся проницаемыми и даже разрушаются, в результате чего можно получать клеточный сок. Такая технология широко известна под названием «электропорации».
В этой связи можно обратиться к документу WO 2009/129991, в котором описан такой способ электропорации свекловичной стружки импульсным электрическим полем.
Согласно описанному в этом документе способу свеклу сначала измельчают в виде стружки, затем в эту стружку добавляют жидкую фазу. Полученную смесь подают без давления в реакционную камеру, в которой создают импульсное электрическое поле.
Этот способ требует наличия электропроводящей жидкости, смешиваемой со стружкой, чтобы, с одной стороны, облегчить ее транспортировку до камеры обработки и, с другой стороны, решить проблему относительной неоднородности стружечной смеси в камере обработки, приводящей к образованию непроводящих пустот между стружками.
Присутствие этой жидкой фазы требует применения мощного генератора импульсных электрических полей порядка 60 кВ и, следовательно, камеры обработки относительно больших размеров.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков известных решений и разработка способа обработки растительных тканей, позволяющего извлекать сок из тканей без применения жидкой фазы.
В связи с этим первым объектом изобретения является способ обработки растительных тканей импульсным электрическим полем для извлечения из них растительного вещества, в частности сока, в котором растительные ткани уплотняют, чтобы уменьшить остаточное пространство между тканями, и уплотненные растения подвергают действию импульсного электрического поля по меньшей мере в одной камере обработки.
Таким образом, благодаря этой предварительной стадии уплотнения можно придать растительным тканям компактный объем и, следовательно, более равномерно распределять импульсное электрическое поле в растительных тканях.
Кроме того, эта стадия уплотнения позволяет доставлять растительные ткани в камеру или камеры обработки, не смешивая ткани с жидкой фазой. При постоянной мощности генератора можно обрабатывать больше растительных тканей. При постоянной производительности обработки растений можно снизить мощность генератора и/или количество генераторов и размер камеры или камер обработки.
В варианте осуществления после обработки растительных тканей импульсным электрическим полем из камеры обработки отбирают первый сок.
Действительно, было установлено, что предварительная стадия уплотнения растительной ткани позволяет легко получить первый отжатый сок. Кроме того, было установлено, что этот первый сок имеет высокую степень чистоты.
Согласно другому отличительному признаку этого способа обработки, после извлечения первого сока растительные ткани подвергают дополнительной обработке для извлечения сока. Например, можно применить обработку для извлечения посредством диффузии или посредством прессования.
Предпочтительно перед этапом уплотнения растительных тканей производят резку растений. Такой предварительный этап резки позволяет повысить однородность смеси в камере или камерах обработки и еще больше уменьшить пространства между растениями.
Например, для этого используют корнерезку.
Способ может также содержать предварительный этап промывки растений. Кроме того, в камеру обработки перед обработкой уплотненных тканей импульсным электрическим полем можно нагнетать сжатый воздух.
Согласно еще одному отличительному признаку способа обработки, этап обработки уплотненных растений осуществляют при помощи нескольких камер обработки, расположенных последовательно или параллельно.
Таким образом, даже если используют относительно маломощные генераторы импульсного электрического поля и камеры обработки относительно небольших размеров, можно обрабатывать относительно большие массы растительных тканей.
Кроме того, можно регулировать параметры импульсного электрического поля в зависимости от природы обрабатываемых растений.
Вторым объектом изобретения является установка для обработки растительных тканей импульсным электрическим полем с целью извлечения из них растительного вещества, в частности сока.
Эта установка содержит ступень уплотнения растительных тканей и по меньшей мере одну камеру обработки, содержащую средства генерирования импульсного электрического поля в упомянутой камере для обработки уплотненных тканей.
В варианте выполнения эта установка дополнительно содержит средства извлечения первого сока из камеры.
Эта установка может содержать дополнительную ступень обработки, в частности, посредством диффузии или прессования, расположенную на выходе камеры обработки.
Согласно другому отличительному признаку этой установки она содержит ступень резки растений, расположенную на входе ступени уплотнения.
Эта ступень резки может содержать корнерезки.
В варианте выполнения средства генерирования импульсного электрического поля содержат генератор импульсного электрического поля, выдающий электрическое поле напряженностью примерно от 0,1 до 1 кВ/см.
Другие задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему первого примера выполнения установки для обработки растительных тканей в соответствии с изобретением.
Фиг.2 - схему второго примера выполнения установки для обработки растительных тканей в соответствии с изобретением.
Фиг.3 - схему третьего примера выполнения установки для обработки растительных тканей в соответствии с изобретением.
На фиг.1 представлен первый пример установки для обработки растительных тканей в соответствии с изобретением.
Эта установка предназначена для обработки импульсным электрическим полем собранных растений, в частности, но не исключительно сахарной свеклы с целью извлечения из нее клеточного сока и, в целом, растительного вещества, например мякоти.
Следует отметить, что, не выходя за рамки изобретения, можно предусмотреть использование установки для обработки любых видов растительного сырья, таких как фрукты, растения или овощи, с целью извлечения из них сока или вещества.
Применяемая обработка основана на приложении импульсного электрического поля к обрабатываемым растениям.
Действительно, когда растительную ткань помещают в электрическое поле, разность внутриклеточной и внеклеточной структур приводит к накапливанию электрических зарядов на мембранных поверхностях и к увеличению трансмембранного потенциала.
Притяжение между зарядами противоположных знаков, скапливающихся с двух сторон от мембраны, приводит к ее сжатию.
Упругое усилие, создаваемое мембраной, стремится противодействовать этому сжатию. Когда прикладываемое электрическое поле превышает критическое значение, сила сжатия, действующая с двух сторон мембраны в результате притяжения зарядов противоположных знаков, становится больше упругого усилия сопротивления мембраны, и в ней появляются поры или расширяются поры, если они уже присутствовали в мембране. На этой стадии электропорация считается обратимой. При увеличении амплитуды электрического поля и/или продолжительности его действия отмечается необратимое увеличение проницаемости и разрушение клеточной мембраны, что позволяет получать клеточный сок.
Установка, показанная на фиг.1, в основном содержит, если рассматривать направление обработки растительных тканей: первую ступень 1 резки растений; конвейерную ступень 2 транспортировки измельченных растений, например, объемную конвейерную систему; третью ступень 3 уплотнения измельченных тканей, расположенную на выходе второй конвейерной ступени 2; и камеру 4 обработки измельченных и уплотненных растений, связанную с генератором 5 импульсного электрического поля.
Ступень 1 резки соответствует первой ступени установки. В нее загружают предназначенные для обработки растения из собранного урожая. Эта ступень 1 выполнена с возможностью обеспечения резки растений согласно особой геометрической конфигурации, чтобы уменьшить количество пустот между нарезанными элементами после их загрузки насыпом. Например, для этого используют корнерезки, которые обычно применяют в промышленности для производства сахара из свеклы или цикория. Для других корнеплодов, таких как маниок, можно использовать терку.
Ступень 3 уплотнения обеспечивает прессование нарезанных растений, чтобы еще больше уменьшить остаточное пространство между растениями и, в частности, между измельченными растениями.
Иначе говоря, речь идет о подаче в камеру 4 обработки однородной массы измельченных растений при сведении к минимуму пространств, не содержащих растительного сырья, таким образом, чтобы можно было не использовать электропроводящую жидкую фазу или электропроводящий гель в камере обработки и не производить соответствующие последующие операции обработки для удаления такой фазы или такого геля.
Эту стадию уплотнения можно осуществлять при помощи любого соответствующего инструмента или пресса, способного создавать достаточное давление на измельченные растения, чтобы их уплотнить и уменьшить, таким образом, остаточные пространства, не создавая при этом чрезмерного давления, при котором происходит выделение сока.
Как было указано выше, на выходе ступени уплотнения установка содержит камеру обработки, связанную с генератором 5 импульсных электрических полей.
Во время работы генератор 5 создает и поддерживает во внутреннем объеме камеры 4, заполненном измельченными и уплотненными растениями, импульсное электрическое поле, параметры которого можно адаптировать в зависимости от природы обрабатываемых растений.
Так, например, можно менять частоту, ширину импульсов, выходное напряжение и, в целом, форму сигнала напряжения, выходящего из генератора, в зависимости от природы обрабатываемых растительных тканей. Эти параметры можно также изменять для их адаптации к качеству или к характеристикам конечных продуктов в зависимости от земель региона, где выращивают растения, или от климатических условий, или в случае болезни растений.
При этом следует еще раз отметить, что благодаря предварительному этапу уплотнения, можно загружать растения в камеру обработки, не смешивая их с жидкой фазой.
Благодаря этой стадии уплотнения, можно также использовать камеру обработки меньших размеров, а также генератор 5 импульсных электрических полей меньшей мощности, поскольку этот этап уплотнения позволяет отказаться от использования жидкой фазы или электропроводящего геля для заполнения пустых пространств, которые в противном случае оставались бы между растениями и потребовали бы дополнительной обработки для удаления этой жидкой фазы или этого геля.
Так, можно использовать генератор импульсных электрических полей мощностью примерно от 15 до 20 кВ, который может создавать электрическое поле примерно от 0,1 до 1 кВ/см в камере 4 обработки.
В качестве не ограничительно примера можно отметить, что камера 4 обработки может иметь сечение от 50 мм до 500 мм и длину примерно от 200 мм до 2 м в зависимости от сечения.
Такие характеристики позволяют обрабатывать массы растительных тканей с производительностью примерно от 1 до 150 тонн/час.
Следует отметить, что предварительная стадия уплотнения в сочетании с обработкой импульсными электрическими полями позволяет предусмотреть на выходе камеры 4 обработки ступень 6 извлечения первого сока J1.
Действительно, импульсные электрические поля позволяют обрабатывать растения во время очень коротких пиков напряжения, порядка нескольких микросекунд, что приводит к очень слабому рассеянию электрической энергии за счет эффекта Джоуля в растительной ткани. Таким образом, в ходе процесса в холодном состоянии можно получать сок высокой чистоты и в любом случае более высокого качества, чем при применении традиционных технологий прессования или диффузии.
Следует отметить, что в случае свекловичного сока, как правило, необходимо осуществлять последующую стадию очистки при помощи извести и углекислоты. Поскольку предварительная стадия уплотнения и обработка импульсным электрическим полем позволяют получать сок с высокой степенью чистоты, эта дальнейшая стадия очистки значительно облегчается. Очистка в этом случае может представлять собой облегченную известково-угольную очистку, а также либо частично, либо полностью очистку с использованием микрофильтрационных и ультрафильтрационных мембран в зависимости от природы растений и от качества получаемых соков.
На выходе камеры 4 обработки установка содержит также дополнительные ступени обработки растительных тканей классического типа, обеспечивающие дополнительное извлечение сока J2.
Например, как показано на чертежах, можно либо использовать ступень 7 обработки прессованием или, в варианте, ступень 8 обработки диффузией, за которой находится ступень 9 обработки прессованием.
Наконец, следует отметить, что установка может также содержать ступень 10 промывки растений, например, расположенную перед ступенью 1 резки.
Таким образом, учитывая присутствие этой ступени промывки, которая обеспечивает определенную влажность растений в виде пленки на поверхности растений, установка может содержать факультативную ступень 11 нагнетания сжатого воздуха в камеру обработки перед первым приложением электрического поля для создания в этой камере влажной атмосферы в виде тумана, что еще больше повышает КПД обработки за счет создания электропроводящей атмосферы в камере 4 обработки, а также за счет обеспечения смазки стенок камеры.
Следует отметить, что описанное изобретение, благодаря применению стадии уплотнения в сочетании с использованием генератора импульсных электрических полей относительно низкой мощности и с камерой обработки небольших размеров, позволяет реализовать установки обработки небольших размеров или добиваться повышения качества извлекаемых соков и повышения КПД обработки в дополнительных ступенях 7, 8 и 9 обработки в результате повышения степени сжатия, сокращения диффузионного извлечения, снижения температуры.
Следует отметить, что изобретение не ограничивается описанным вариантом выполнения.
Действительно, в описанном выше варианте выполнения установка содержит единственную камеру 4 обработки, связанную с генератором 5 импульсных электрических полей.
Чтобы повысить производительность обработки, можно использовать несколько камер обработки, расположенных параллельно (фиг.2) или, в варианте, последовательно (фиг.3).
Следует отметить, что можно предусмотреть столько параллельных или последовательных камер обработки, сколько это необходимо, питаемых одним или несколькими параллельными генераторами для обеспечения достаточной электропорации, совместимой с промышленными процессами обработки.