УСТРОЙСТВО ВАКУУМНОЙ СУШКИ БИОМАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR VACUUM DRYING OF BIOMATERIALS

Изобретение относится к технике вакуумной сушки продуктов и может быть использовано в медицинской и пищевой промышленности преимущественно для сушки жидких или гелеобразных биоматериалов.
Известна установка вакуумной сублимационной сушки биоматериалов и способ сушки (RU, патент №2203597, A23L 3/40, 3/54, приоритет 24.09.2001). Установка содержит вакуумную сушильную камеру, СВЧ-генератор электромагнитной энергии, два устройства для ввода электромагнитной энергии в сушильную камеру, системы конденсации и вакуумный насос, диэлектрический лоток для размещения объекта сушки и диэлектрическая полка для размещения лотка, которая размещена горизонтально внутри сушильной камеры.
Устройства для ввода электромагнитной энергии выполнены в виде рупорных антенн, линейными поляризациями излучения и ортогональными между собой плоскостями поляризации излучения, которые соосно и герметично закреплены на торцах сушильной камеры. Выход СВЧ-генератора соединен с входом делителя мощности, а выходы делителя мощности соединены один с входом одной антенны, а второй - с входом другой антенны.
Способ вакуумной сублимационной сушки биоматериалов на этой установке состоит в том, что биоматериал, который необходимо высушить, тонким слоем раскладывают в диэлектрическом лотке и замораживают. Лоток с биоматериалом размещают на диэлектрической полке внутри сушильной камеры. Герметично закрывают крышку сушильной камеры. Включают вакуумный насос для создания в камере вакуума 1 мм рт.ст. (0,133 кПа). Влага из биоматериала начинает испаряться и удаляться через систему конденсации вакуумным насосом в атмосферу. При испарении биоматериал охлаждается. Для поддержания биоматериал в заданном тепловом режиме включают СВЧ-генератор, который в процессе испарения из него влаги поддерживает требуемую температуру биоматериала, что ускоряет сушку.
Недостатки аналога изобретения состоят в том, что нагрев биоматериала СВЧ-энергией происходит за счет быстрого изменения полярности электромагнитного поля излучающих антенн, и полярные молекулы воды начинают колебаться со скоростью изменения направления электромагнитного поля во всем объеме биоматериала. Это приводит к его нагреванию и разрушению внутриклеточных структур, биологически активных веществ в биоматериале, например крови пантовых оленей. Высушенный биоматериал становится не пригодным для медицинских целей.
Известна установка для вакуумной сушки (Патент RU №2293265, F26B 11/02, 5/04, приоритет 24.06.2005, Бюл. №4, 10.02.2007). Установка содержит вакуумную сушильную камеру, установленную горизонтально с возможностью вращения вокруг ее продольной оси, тепловую рубашку камеры, вакуумным насос, соединенный с камерой. На внутренней цилиндрической поверхности камеры установлены вдоль ее оси полки, частично заполненные мелющими телами. На оси камеры, между концов полок установлено цилиндрическое сито. На оси камеры внутри сита свободно подвешен сборник готового продукта - сухого остатка. Установка громоздка, весит более 0,5 тонны, процесс сушки жидких продуктов занимает несколько часов с многократным присоединением и отсоединением от камеры коммуникации (электрическую, теплоносителя и вакуумную).
Известно устройство для удаления влаги в вакууме (RU, патент №2276314, F26B 19/00, 5/04, приоритет 14.12.2004), принятое за прототип изобретения. Прототип содержит камеру испарителя с водяной рубашкой, электронагреватель с терморегулятором, конденсатор, сборник конденсата и насос. Камера испарителя, установленного в ячейку, выполненную с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси и вращения вокруг оси симметрии и оснащенную приводом колебательного движения под углом 180° вокруг оси симметрии, и снабжена рабочими телами из инертного металла в форме шаров диаметром 20-30 мм.
В испарителе устройства создают разрежение в пределах 0,1-10 Па. Нагревают сырье, удаляют влагу и перемешивают сырье. При пенообразовании отсоединяют насос от вакуумной системы и выключают нагрев. После подавления пенообразования подключают насос. При необходимости отсоединяют и подключают насос повторно до установления устойчивого режима кипения, после чего включают нагрев снова и регулируют мощность нагрева. Контролируют температуру в испарителе. При достижении требуемой остаточной относительной влажности сырья процесс удаления влаги прекращают. При этом способе удаления влаги из биоматериала при пенообразовании необходимо не только отключать насос от испарителя, но и выключать нагрев, что увеличивает продолжительность сушки сырья до требуемой остаточной относительной влажности. Кроме того, для перемешивания продукта во время сушки и размола сухого остатка требуется сложный привод колебания камеры испарителя, потребляющий много электроэнергии, т.к. требуется большое время для размола сухого остатка.
Технический результат изобретения - упрощение конструкции устройства вакуумной сушки биоматериала, уменьшение потребления электроэнергии на размол сухого остатка и возможность определения окончания сушки биоматериала.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства вакуумной сушки биоматериалов.
На фиг.2 представлено продольное осевое сечение камеры испарения.
На фиг.1 и 2 введены обозначения: 1 - камера испарителя (КИ); 2 - дверца камеры испарителя; 3 - смотровое окно камеры испарителя; 4 - клапан сброса вакуума в камере испарителя; 5 - терморегулятор; 6 - тепловая рубашка камеры испарителя; 7 - контейнер; 8 - станина контейнера; 9 - рабочие тела; 10 - герметичный колпак из немагнитного материала; 11 - привод вращения магнитов или электромагнитов; 12 - ТЭН; 13 - магниты или электромагниты; 14 - биоматериал; 15 - рукоятка для поворота контейнера с камерой испарителя из вертикального положения в горизонтальное; 16 - вентиль; 17 - паропровод; 18 - конденсатор; 19 - трубопровод, 20 - сборник конденсата; 21 - вакуумный насос.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что устройство для вакуумной сушки биоматериала содержит: камеру испарителя (КИ) 1; дверцу 2; смотровое окно 3; терморегулятор 5; тепловую рубашку 6; контейнер 7; станину 8; рабочие тела 9; герметичный колпак 10; электропривод 11; ТЭН 12; магниты или электромагниты 13; ворот 15; вентиль 16; паропровод 17; конденсатор 18; трубопровод 19; сборник конденсата 20; вакуумный насос 21 (фиг.1, 2).
Камера испарителя (КИ) 1 предназначена для сушки жидкого или гелеобразного биоматериала и размещения в ней рабочих тел 9. Выполнена камера 1 из металла, например из пищевой нержавеющей стали, в виде отрезка цилиндрической трубы установленной вертикально. На верхнем конце трубы закреплены герметично: дверца 2, смотровое окно 3, клапан 4 и патрубок для соединения с паропроводом 17. Нижний конец камеры 1 - ее дно выполнено вогнутым. По центру дна и соосно ему закреплен немагнитный герметичный колпак 10 цилиндрической формы (фиг.2).
Дверца 2 предназначена для загрузки в камеру 1 биоматериала 14, рабочих тел 9 и выгрузки сухого продукта (фиг.2). Дверца 2 выполнена герметичной и установлена на верхнем торце камеры 1. Дверца 2 снабжена смотровым окном 3, которое служит для наблюдения за пенообразованием в процессе сушки биоматериала и визуального определения по его цвету окончания сушки при достижении биоматериалом требуемой конечной влажности (см., например, патент RU №2090875). Так, например, влажная кровь пантовых оленей имеет красно-бурый цвет, а сухая - цвета речного песка.
Смотровое окно 3 предназначено для наблюдения за процессом кипения и визуального наблюдения изменения цвета биоматериала при его сушке. Окно 3 установлено по середине дверцы 2 герметично.
Клапан 4 предназначен для сброса вакуума в камере путем установки рычага клапана в положение «Откр.» (фиг.2).
Терморегулятор 5 предназначен для регулировки температуры теплоносителя, размещенного в тепловой рубашке 6, и содержит термометр и автотрансформатор, с помощью которого изменяют значение электрического напряжения на ТЭНе.
Тепловая рубашка 6 камеры 1 выполнена из металла, предназначена для нагрева камеры 1 и биоматериала 14 и охватывает дно и боковую поверхность камеры испарителя 1.
Контейнер 7 предназначен для крепления камеры 1 с тепловой рубашкой на станине 8 с возможностью поворота камеры 1 из вертикальной положения в горизонтальное. Контейнер 7 выполнен из металла в виде емкости с внутренней поверхностью, охватывающий тепловую рубашку (фиг.2).
Станина 8 выполнена из металла, например, из стали Ст.3, и предназначена для крепления контейнера 7 с возможностью его поворота из вертикального положения в горизонтальное (фиг.2).
Рабочие тела 9 предназначены для перемешивания биоматериала в процессе его сушки и размола в муку сухого остатка по окончанию сушки. Рабочие тела 9 выполнены из магнитного материала в виде шаров, например из нержавеющей стали, весом 2-4 кг. Благодаря тому, что дно камеры 1 внутри вогнутое, шары под действием силы тяжести располагаются вплотную к внешней поверхности колпака 10 и удерживаются в этом положении магнитами 13. В камере испарителя 1 размещаются не менее двух рабочих тел 9 и не более чем в один ряд вокруг колпака 10 (фиг.2).
Герметичный колпак 10 имеет цилиндрическую форму и предназначен для размещения под ним магнитов 13 или электромагнитов с приводом 11 их вращения в горизонтальной плоскости (фиг.2). Колпак выполнен из немагнитного материала, например пищевой латуни. Диаметр колпака 10 в 3-4 раза меньше внутреннего диаметра камеры испарителя 1.
Электропривод 11 предназначен для вращения в горизонтальной плоскости магнитов 13 или электромагнитов и содержит электромотор и понижающий редуктор с приводным валом, установленным вертикально (фиг.2).
ТЭН 12 предназначен для нагревания теплоносителя - воды в тепловой рубашке 6.
Магниты 13 или электромагниты предназначены для вращения рабочих тела 9 - шаров в горизонтальной плоскости в процессе сушки и размельчения сухого биоматериала по ее окончанию. Магниты или электромагниты расположены горизонтально и жестко закреплены на концах коромысла. Коромысло соединено по центру, ортогонально приводному валу электропривода 11 (фиг.2).
Биоматериалом 14 предпочтительно служит донорская кровь пантовых оленей.
Ворот 15 предназначен для поворота камеры 1 из вертикального положения в горизонтальное.
Вентиль 16 предназначен для разъединения вакуумного насоса 21 и вакуумной системы устройства (фиг.1).
Паропровод 17 предназначен для соединения камеры 1 и конденсатора 18 и выполнен из отрезка металлической трубы. Паропровод одним концом соединен с патрубком камеры 1, а другим - с входом конденсатора 18 (фиг.1).
Конденсатор 18 служит для конденсации влаги, которая испаряется в процессе сушки биоматериала. Конденсатор 8 выполнен в виде герметичного металлического бачка с водяной рубашкой для его охлаждения. Водяная рубашка заполняется проточной водой, например, из городского водопровода. Вход конденсатора включен на конце паропровода 17. Выход конденсатора с помощью трубопровода 19 соединен со сборником конденсата 20 (фиг.1).
Сборник конденсата 20 выполнен в виде герметичной металлической емкости, выход которой соединен с вакуумным насосом 21 (фиг.1).
Вакуумный насос 21 обеспечивает в камере испарителя 1 требуемый вакуум 0,1-10 Па, необходимый для ускорения сушки биоматериала. В качестве вакуумного насоса 21 может быть применен форвакуумный насос (фиг.1).
Работа устройства вакуумной сушки биоматериалов
Перед началом сушки биоматериала проводят подготовку устройства. Открывают дверцу 2 камеры 1 и загружают в нее рабочие тела 9 не менее двух и не более чем в один ряд вокруг колпака 10. Благодаря вогнутому дну камеры 1 рабочие тела 9 под действием силы тяжести плотно прилегают к внешней поверхности колпака 10 и удерживаются в таком положении магнитами 13. Биоматериал 14 загружают в камеру 1 не более чем на треть ее объема.
Закрывают клапан 4 путем перемещения его рычага вверх в положение «Закр.» (фиг 2). Открывают вентиль 16 и включают вакуумный насос 21 (фиг.1). Производят откачку вакуумной системы устройства до требуемого значения вакуума.
Одновременно включают ТЭН 12 и нагревают теплоноситель до предельно допустимой температуры для биоматериала, подлежащего сушке, например, для крови пантовых оленей не более плюс 40°C.
Включают привод 11 магнитов 13, рабочие тела 9 магнитами 13 вовлекаются в круговое движение со скоростью 5-7 оборотов в минуту, тем самым обеспечивая его перемешивание в процессе сушки.
Влага биоматериала начинает испаряться с образованием пены. Объем камеры заполняется биоматериалом только на 1/3, поэтому пена не сразу поднимается до выходного патрубка камеры 1.
Давление в вакуумной камере начинает увеличиваться (падает вакуум), а температура биоматериала уменьшаться.
Когда пена поднимется более чем на 4/5 высоты камеры 1, оператор перекрывает вентиль 16 и отключает вакуумный насос 21.
Из-за повышения давления в камере влага биоматериала перестает кипеть, пенообразование прекращается, температура биоматериала начинает увеличиваться от тепла теплоносителя.
После чего вновь открывают вентиль 16 и включают вакуумный нанос 21.
Такой процесс сушки повторяется многократно, до получения требуемой остаточной влажности биоматериала, которую определяют по цвету осушаемого биоматериала.
После чего электропривод 11 включают на повышенные обороты (более 60 об/мин). Рабочие тела 9 под действием центробежной силы отрываются от наружной стенки колпака 10, а, потеряв скорость, снова возвращаются в исходное положение, при этом размалывают сухой остаток биоматериала.
Испытания проведены на донорской крови марала. Камера испарителя 1 объемом 30 л и рабочие тела 9 весом 2 кг были изготовлены из пищевой нержавеющей стали. Вакуум в системе поддерживался в диапазоне 0,1-1 Па с помощью форвакуумного насоса. Вода в конденсаторе была водопроводная. Привод магнитов в процессе сушки обеспечивал вращение рабочих тел 9 со скоростью 5 оборотов в минуту и 60 оборотов в минут при размоле сухого остатка. Скорость удаления выпариваемой влаги составила 2,5 кг/час, выход сухого продукта 20-22%.
Технический результат изобретения - упрощение конструкции устройства вакуумной сушки биоматериала, уменьшение потребления электроэнергии на перемещение рабочих тел и возможность определения окончания сушки биоматериала по изменению его цвета.