Сверхвысокочастотная установка со сферическими резонаторами для термообработки жиросодержащего сырья
MICROWAVE INSTALLATION WITH SPHERICAL RESONATORS FOR THERMAL PROCESSING OF FAT-CONTAINING RAW MATERIALS

Предлагаемое изобретение относится к мясожировому производству и может быть использовано для термообработки и обеззараживания жиросодержащего сырья с целью вытопки жира при низких эксплуатационных затратах с получением безопасной продукции. Чтобы извлечь жир из мягкой жиросодержащей ткани, необходимо разрушить белковую структуру, содержащую жир, перевести его из внутриклеточной фазы во внеклеточную, свободную фазу и затем удалить во внешнюю среду. Сырьем является говяжий, свиной, бараний, птичий и костный жир, а именно: сальник, выстилающий брюшную полость; околопочечный, брыжеечный жир; обрезь свежего свиного шпика; подкожный жир; жирное вымя молодняка КРС; обрезь при разделке мяса; жировая ткань с желудка; жир после мездрения шкур; кишечный жир и т п.
Наибольшее распространение получил тепловой метод извлечения жира из жира-сырца - вытопка, которая осуществляется мокрым (с добавлением 20…50% воды к массе сырья) и сухим способами.
Мокрый способ заключается в том, что в процессе переработки жир-сырец находится в непосредственном соприкосновении с водой или острым паром. Добавление воды или пара способствует разрушению жировой ткани, вытопку жира мокрым способом целесообразно проводить при кратковременном воздействии повышенных температур. В результате такой обработки получают трехфазную систему, содержащую жир, бульон и шквару.
При сухом способе жир-сырец нагревается через контактную поверхность (паровую рубашку). Влага, содержащаяся в сырье, испаряется и удаляется под вакуумом. В результате тепловой денатурации белковых веществ оболочки жировых клеток, содержащих жир, разрушаются, и выделяется жир. После вытопки получается двухфазная система, состоящая из сухой жирной шквары и жира. Недостатки - большие энергозатраты и снижение органолептических показателей вытопленного жира (вкуса, запаха и цвета). Для реализации такого способа используют шнековый плавитель, состоящий из цилиндрического корпуса, который снабжен паровой рубашкой и шнековым барабаном [1].
Известен аппарат для вытопки жира острым паром марки Я8-ФИБ. Он состоит из цилиндрического корпуса, барабана, трубопровода подачи сырья от волчка, электродвигателя, шкафа управления. На крышке корпуса расположены загрузочный люк и патрубок для подвода пара. В нижней части корпуса имеется патрубок для отвода жиромассы. Паровая камера образована боковыми стенками корпуса. Внутренняя и наружная перфорированные поверхности барабана расположены соосно одна в другой, в днище барабана установлены ножи.
К недостаткам такого аппарата относится большая продолжительность контакта жиросодержащего сырья с высокотемпературным теплоносителем, что снижает качество жира и шквары [1].
Имеются существенные резервы повышения эффективности технологического процесса за счет совершенствования методов извлечения жира, сокращения его потерь, а именно использования энергии электромагнитных излучений для вытопки жира.
Известна микроволновая вакуумная установка «Муссон», предназначенная для термообработки продуктов. Контейнеры с продуктом помещаются внутрь резонаторных камер. Перемешивание продукта осуществляется вращением контейнеров. Микроволновая энергия подается от СВЧ-генераторов, расположенных на торцах цилиндрических камер. Такая установка очень дорогая, однокамерная установка выше 400 тыс. рублей и усложнена вакуумной системой.
Прототипом является патент № 2600697 «Сверхвысокочастотная установка для плавления жира» [2]. Измельченная жировая масса поступает в пространство между двумя дисками, где лопастным питателем частицы сырья направляются в сферические части резонаторной камеры, которые перфорированы. На монтажном каркасе установлен цилиндрический экранирующий корпус с коническим дном, внутри которого соосно расположена жестко закрепленная резонаторная камера, выполненная из цилиндрической части и сферических частей. Каждая сферическая часть резонаторной камеры представлена из двух полусфер, нижняя полусфера перфорирована. На верхнем основании цилиндра имеется измельчающий механизм. Дно экранирующего корпуса соединено с перекачивающим насосом, для перекачивания расплавленной жиромассы.
Предлагаемая методика проектирования СВЧ-установки для термообработки жиросодержащего сырья направлена на обеспечение:
1) непрерывности технологического процесса;
2) высокой напряженности электрического поля в сырье с целью достижения бактерицидного эффекта;
3) комплексного воздействия электромагнитных излучений разных длин волн;
4) высокой собственной добротности резонаторов;
5) радиогерметичности установки;
6) универсальности для термообработки разного сырья животного происхождения;
7) равномерности распределения электрического поля и сырья в резонаторе;
8) вариации производительности установки;
9) демонтажа узлов.
Ниже приведено описание реализации технических требований, предъявляемых к конструкционному исполнению СВЧ установки для термообработки сырья.
1. Непрерывность достигается за счет перфорации резонаторов, применения диссектора.
2. Высокая напряженность до 5 кВ/см, при которой бактериальная микрофлора уничтожается, достигается за счет малого объема резонаторов.
3. Комплексное воздействие электромагнитных излучений разных длин волн достигается за счет дополнительного источника килогерцовой частоты, обеспечивающего коронный разряд между с электрогазоразрядной лампой, сырьем и вращающимся диском. При этом происходит выделение озона в пространстве рабочей камеры.
4. Высокая собственная добротность резонатора достигается за счет его сферического исполнения.
5. Радиогерметичность установки достигается за счет использования экранирующего корпуса из неферромагнитного материала и запредельных волноводов место приемных и разгрузочных патрубков.
6. Универсальность установки для широкого класса сырья достигается регулированием диаметра отверстий перфорации резонаторов и характеристик насоса вязкого продукта.
7. Равномерность распределения электрического поля и сырья в резонаторе достигается за счет его сферического исполнения и использования диссектора. Диссектор одновременно обеспечивает распределение сырья из центральной части в сферы и защиту соседних магнетронов от отраженного потока излучений.
8. Увеличение производительности установки достигается за счет использования нескольких маломощных генераторов, обеспечивающих воздействие электромагнитного поля сверхвысокой частоты на сырье в озонированной рабочей камере для повышения бактерицидного эффекта.
9. Быстрый демонтаж узлов установки обеспечивает санитарную обработку рабочей камеры после проведения термообработки сырья.
Технический результат достигается тем, что сверхвысокочастотная установка со сферическими резонаторами для термообработки жиросодержащего сырья содержит внутри полусферического экранирующего корпуса,
расположенного в вертикальной плоскости, по периферии окружности жестко установленные нижние перфорированные полусферы из неферромагнитного материала, которые стыкуются верхними неферромагнитными полусферами, образуя перфорированные сферические резонаторы, куда направлены излучатели от сверхвысокочастотных генераторов, установленных на крышку экранирующего корпуса, глубина которой равна радиусу полусферы,
причем через центр основания цилиндрической крышки экранирующего корпуса в рабочую камеру направлен измельчающий механизм волчка, вокруг которого внутри крышки установлены электрогазоразрядные лампы, запитанные от генераторов килогерцовой частоты, расположенных на крышке корпуса,
при этом по центру полусферического экранирующего корпуса установлен неферромагнитный диск так, что его край находится внутри сферических резонаторов, где на стыке полусфер имеется прорезь размером больше, чем толщина диска с радиально направляющими и сырьем,
причем вал, куда закреплен диск, установлен в подшипниковые узлы с передаточными механизмами и электродвигателем, расположенные с наружной стороны экранирующего корпуса, имеющего сливной патрубок, соединенный с перекачивающим насосом.
На фиг. 1 приведено пространственное изображение сверхвысокочастотной установки со сферическими резонаторами для термообработки жиросодержащего сырья: 1 - полусферический экранирующий корпус; 2 - нижние перфорированные полусферы; 3 - верхние полусферы; 4 - сверхвысокочастотные генераторные блоки; 5 - диск из неферромагнитного материала; 6 - направляющие из неферромагнитного материала; 7 - измельчающий механизм (ножи, решетки, нагнетательный шнек); 8 - приемный патрубок; 9 - источники энергии килогерцовой частоты с электрогазоразрядными лампами; 10 - крышка экранирующего корпуса; 11 - шарнирные петли; 12 - вал привода диска; 13 - сливной патрубок с вентилем; 14 - шестеренчатый насос.
На фиг. 2 приведено пространственное изображение установки без верхней крышки: 1 - полусферический экранирующий корпус; 2 - нижние перфорированные полусферы; 5 - диск из неферромагнитного материала; 6 - направляющие из неферромагнитного материала; 11 - шарнирные петли; 12 - вал привода диска; 13 - сливной патрубок с вентилем; 14 - шестеренчатый насос.
На фиг. 3 приведено пространственное изображение узлов, прикрепленных на крышку полусферического экранирующего корпуса (вид сверху крышки): 4 - сверхвысокочастотные генераторные блоки; 7 - измельчающий механизм (ножи, решетки, нагнетательный шнек); 8 - приемный патрубок; 9 - источники энергии килогерцовой частоты с электрогазоразрядными лампами; 10 - крышка экранирующего корпуса.
На фиг. 4 приведено пространственное изображение узлов, прикрепленных на крышку полусферического экранирующего корпуса (вид с внутренней стороны крышки): 3 - верхние полусферы; 4 - сверхвысокочастотные генераторные блоки; 7 - измельчающий механизм (ножи, решетки, нагнетательный шнек); 8 - приемный патрубок; 9 - источники энергии килогерцовой частоты с электрогазоразрядными лампами; 10 - крышка экранирующего корпуса.
Фиг. 5 – прототип «Муссон -1».
Сверхвысокочастотная установка со сферическими резонаторами (2, 3) для термообработки жиросодержащего сырья содержит полусферический экранирующий корпус 1, внутри которого по периферии окружности установлены перфорированные полусферы 2 (нижние части сферических резонаторов). По центру полусферического экранирующего корпуса 1 установлен неферромагнитный диск 5 на вал 12 электропривода. На верхней поверхности неферромагнитного диска 5 имеются радиальные направляющие 6. Диск 5 в совокупности с радиальными направляющими 6 выполняют функцию диссектора, обеспечивающего равномерное распределение электрического поля и измельченного сырья в сферические резонаторы 2, 3. Крышка 10 экранирующего корпуса 1 выполнена в виде цилиндра. С внутренней стороны основания цилиндра установлены верхние полусферы 3, так что стыкуются с нижними перфорированными полусферами 2, образуя перфорированные сферические резонаторы. Причем между полусферами 2 и 3 имеется прорезь, размер которой не ограничивает вращение неферромагнитного диска 5 с радиальными направляющими 6. На верхнем основании экранирующей крышки 10 по периметру установлены сверхвысокочастотные генераторы 4 так, что излучатели направлены через отверстия в перфорированные сферические резонаторы 2, 3. В центр основания экранирующей крышки 10 установлены узлы измельчающего механизма (решетки, ножи, нагнетательный шнек) с приемным патрубком 8. Эту функцию измельчения сырья может выполнить «Волчек». При этом коаксиально с СВЧ-генераторами 4 ближе к центру основания крышки установлены источники энергии килогерцовой частоты 9 так, что электрогазоразрядные лампы направлены внутрь, над неферромагнитным диском 5. На дне сферического экранирующего корпуса имеется отверстие, которому пристыкован сливной патрубок с вентилем 13 и шестеренчатый насос 14. Цилиндрическая крышка 10 прикреплена к полусферическому экранирующему корпусу 1 с помощью шарнирных петель 11.
Технологический процесс термообработки жиросодержащего сырья происходит следующим образом. Надо включить электродвигатель привода диска 5, установленного на вал 12, после чего включить привод «Волчка» 7. Жиросодержащее сырье через приемный патрубок 8 с помощью «Волчка» измельчается и падает на вращающийся диск 5. Пространство между диском 5 и крышкой экранирующего корпуса 10 образует рабочую камеру. За счет центробежной силы и радиальных направляющих 6 измельченное сырье сбрасывается в перфорированные сферические резонаторы 2, 3. Если в резонаторах имеется сырье, то включить СВЧ-генераторы 4 и генераторы килогерцовой частоты 9, электрогазоразрядные лампы которых коронируют при соприкосновении сырьем и озонируют воздух в рабочей камере, что обеспечивает бактерицидный эффект. Диссектор (неферромагнитный диск с направляющими 5, 6) способствует выравниванию электромагнитного поля в объеме сферических резонаторов (2, 3). Измельченное сырье в перфорированных сферических резонаторах подвергается воздействию электромагнитного поля сверхвысокой частоты, эндогенно нагревается, происходит плавление жира, а шквара разрушается до мелких частиц и проходит через отверстия перфорации сферических резонаторов. Расплавленная жировая масса поступает в накопительную емкость (в полусферический экранирующий корпус 1) и насосом 14 перекачивается через сливной патрубок 13. Поток излучения через перфорацию в сферических резонаторах и прорези в них будет замыкаться в вытопленном жире после многократного отражения от сферической поверхности экранирующего корпуса 1. Продукт обеззараживается не только за счет озона, но и за счет высокой напряженности электрического поля сверхвысокой частоты. Поэтому объем каждого сферического резонатора рекомендуется не превышать 2,6 литра, а диаметр сферы рекомендуется не превышать 1,5 кратной длины волны, что обеспечивает высокую напряженность электрического поля при использовании маломощных СВЧ-генераторов от микроволновых печей. Вытопленный жир и шквара через перфорацию резонатора выкачиваются с помощью шестеренчатого насоса 14. Расход регулируется с помощью вентиля в сливном патрубке 13. После окончания технологического процесса выключить «Волчек», привод диска и СВЧ-генераторы, далее насос 14. Для санитарной обработки рабочей камеры установки открыть крышку 10, которая закреплена через шарнирные петли 11 с полусферическим экранирующим корпусом 1, промыть моющим средством. Разобрать измельчающий механизм (ножи, решетки, нагнетательный шнек), промыть, высушить и собрать узлы обратно.
Скорость вращения диска, объем измельченного сырья в сферических резонаторах (2, 3) влияют на производительность установки. Установка обеспечивает непрерывность процесса при широком диапазоне свойств исходного сырья. Процесс термообработки и обеззараживания жиросодержащего сырья автоматизирован. Контроль над температурным режимом осуществляется через смотровое окно с помощью тепловизора. Производительность установки зависит от количества и мощности сверхвысокочастотных генераторов, электрофизических параметров сырья. Конечный продукт (смесь жира со шкварой) имеет высокое качество, так как полностью обеззараживается благодаря комплексному воздействию электрического поля высокой напряженности и озона. За счет улучшения микробиологических показателей увеличивается срок годности продукта. Продукт следует хранить в холодильной камере при температуре 2…10°С. Преимущества этого способа термообработки жиросодержащего сырья - повышенная стойкость жира и возможность безотходной переработки жира-сырца. Установка работает в непрерывном режиме, она оборудована панелью управления с регулятором мощности излучения, таймером, кнопками включения и отключения генераторов, привода диска и «Волчка», сигнальными лампами и т.п.
Источники информации
1. Ивашов, В.И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Часть 1. Оборудование для убоя и первичной обработки. - М.: Колос, 2001. - 552 с. (С. 332).
2. Патент №2600697 РФ, МПК. Сверхвысокочастотная установка для плавления жира / И.М. Селиванов, М.В. Белова, А.А. Белов, И.Г. Ершова, Г.В. Новикова, О.В. Михайлова; заявитель и патентообладатель АНОВО «АТУ» (RU). - №2015117451; заявл. 28.04.2015. Бюл. №30 от 03.10.2016.