Способ непрерывной стерилизации или пастеризации биологических и пищевых продуктов и устройство для его осуществления
Использование: непрерывная стерилизация или пастеризация биологических и пищевых продуктов, в частности, в неупакованном жидком или вязком состоянии. Сущность изобретения: способ непрерывной стерилизации или пастеризации биологических и пищевых продуктов заключается в том, что продукт предварительно направляют в нагреватель, а затем облучают в средстве, в котором создают переменное электромагнитное поле. Обработанный продукт собирают в контейнере и упаковывают в емкости или пакеты. Предварительное нагревание продукта осуществляют до температуры не ниже 40oС, но менее 50oС, а облучающее электромагнитное поле создают посредством источника радиоволн в частотном диапазоне ниже 1 гГц. Облучение ведут от 10 сек до 1 мин до температуры продукта 50oС, после чего продукт выдерживают в течение 10 сек - 1 мин, в зависимости от концентрации бактериальной флоры продукта. 2 с. и 9 з.п. ф-лы. 6 ил.
Изобретение касается способа непрерывной стерилизации или пастеризации биологических и пищевых продуктов с использованием электромагнитного излучения. Изобретение также касается устройства для осуществления этого способа.
К биологическим продуктам относятся непищевые биологические вещества, используемые, например, в медицине и фармакологии, также как сыворотка, кровь, кровезаменители. К пищевым продуктам относятся любые пищевые продукты животного или растительного происхождения, например, молоко и молочные продукты яйца, кремы, вина, соки, в том числе соки с мякотью. Все эти продукты обычно консервируют перед их упаковкой в емкости или пакеты. Основными компонентами вышеупомянутых биологических и пищевых продуктов являются вода, сахара, минеральные соли, жиры, витамина, биохимические вещества, такие как ферменты, антитела и гормоны, а также компоненты микробиологического и вирусного происхождения. Например, молоко представляет собой водную эмульсию лактозы, казеина, жиров и ряда минеральных солей, при общем содержании воды превышающем 85% Болезнетворные микроорганизмы, находящиеся в этих пищевых продуктах, образуют так называемую бактериальную флору, которая может, помимо других, включать туберкулезные микробактерии и большое число вирусов, включая вирус полиомиелита. Задача стерилизации и/или пастеризации рассматриваемых продуктов фактически состоит в ослаблении болезнетворной и ферментной активности микроорганизмов, при сохранении активных составных частей продукта, определяющие его органические и органолептические свойства. Изо всех известных способов процессы с использованием нагревания до настоящего времени являются наиболее эффективными и потому наиболее распространенными. Тепловые способы пастеризации и стерилизации, хотя и наиболее широко используются в промышленности, все они имеют очевидный недостаток: высокая температура неизбежно приводит к ухудшению качества продукта. При температуре пастеризации, а тем более стерилизации, происходит не только уничтожение микроорганизмов, но также инактивируются ферменты, белки и прочие активные вещества. Обрабатываемый теплом продукт изменяется свой вкус и цвет, и тем заметнее, чем длительнее нагревание и выше температуре. Кроме того, использование косвенного нагрева посредством теплообменников создает проблему неравномерного нагрева, а использование прямого нагрева паром изменяет влажность продукта. Поэтому существует потребность в создании новых технологий стерилизации и пастеризации пищевых и биологических продуктов, не имеющих недостатков известных способов. Сравнительно недавно была предложена новая технология, не использующая поверхностей теплообмена. Ее принципы заключаются в следующем. Микроорганизмы, как и любой живой организм, обладает плохой тепло- и электропроводностью. Из-за низкой электропроводности микроорганизмы ведут себя подобно диэлектрическим частицам и располагаются по линиям внешних магнитных полей. На фиг.1 и 2 схематично показана структура микроорганизма А, представляющего собой, например, одноклеточный организм почти сферической формы, когда на него не воздействует электромагнитное поле. Если этот микроорганизм поместить между пластинами В и С конденсатора, в котором силовые линии электрического поля практически перпендикулярны поверхностям пластин конденсатора, то очертания микроорганизма изменяется и он примет форму А' вследствие миграции зарядов с противоположными знаками к разным сторонам микроорганизма. Таким образом, часть энергии внешнего поля передается микроорганизму в виде работы деформации, а часть энергии преобразуется в кинетическую энергию, увеличивающую возбуждение молекул микроорганизма и, тем самым повышающую температуру микроорганизма. Столкновения молекул вследствие их возбуждения и работа деформации вызывают ослабление и разрыв молекулярных связей и приводят к необратимым изменениям в структуре микроорганизма на фиг.2б направление электрического поля, создаваемого между пластинами В и С, изменено на противоположное, и вследствие этого молекулярный диполь изменяет свою ориентацию и форму на форму А11, симметричную вышерассмотренной форме А1. Высокочастотные колебания электрического поля, создаваемого пластинами В и С, вызывают соответствующие структурные изменения микроорганизмов на молекулярном уровне, сопровождаемые умеренным нагревом что обеспечивает полное разрушение микроорганизмов на определенных резонансных частотах. Используя рассмотренный физический принцип, продукт может пастеризоваться или стерилизоваться путем его подачи высокочастотное электрическое или электромагнитное поле на время, достаточное для структурного разрушения болезнетворных микроорганизмов. В японской патентной заявке N 2-211855 (1989 г.) описаны способ и устройство для стерилизации пищевых жидких продуктов с помощью высокочастотного электромагнитного излучения. В этом известном способе продукт облучают микроволнами с частотой свыше 1 Гц, создаваемыми магнетронным генератором и подводимыми внутрь по оси по волноводу Продолжительность облучения весьма малая и составляет несколько секунд. Вследствие использования высокочастотных электромагнитных волн, для защиты пеpсонала, работающего рядом с устройством, необходимо предусмотреть экранирование. Интенсивный нагрев микроволнами вынуждает выполнять весьма короткую по продолжительности обработку и в быстрой последовательности. После каждого облучения продукт необходимо быстро охладить с тем чтобы он не изменил свои органические и органолептические свойства. В патентах США US-А-2 576 862 и SU-А-3 272 636, Франции FR-А-2 547 732 и Германии DE-А-2 628 234 описаны другие способы и устройства с использованием электромагнитных волн в диапазоне микроволн и/или радиоволн. Эти способы и устройства применяют для обработки уже упакованных продуктов. Все они требуют соответствующего экранирования для защиты персонала от опасного излучения. Дополнительно к этому, учитывая, что разлагающее действие переменного электромагнитного поля воздействует не только на болезнетворный микроорганизмы, но кроме того и на активные составные части продукта, определяющие его органические и органолептические свойства, указанные известные способы и устройства ухудшают органолептические свойства снижая ценность продукта. Патент Великобритании N 2.193.624 раскрывает способ стерилизации и приготовления пищевых продуктов, таких как мясо, фрукты и овощи в сиропе или креме, согласно которому продукт в частности, в неупакованном жидком или вязком состоянии, содержащий бактериальное и споровое загрязнения, подвергают предварительному нагреванию в заданном объеме или в потоке заданной скорости, а затем осуществляют облучение указанного объема или потока предварительно нагретого продукта электромагнитным полем, и последующее охлаждение продукта до температуры, близкой к температуре окружающей среды или температуре упаковки. Предварительное нагревание по этому патенту осуществляют в обычном теплообменнике с температурой 85-125oС. В качестве средства облучения предложено использовать микроволны, электронные лучи или рентгеновское излучение. Любое из этих средств опасно для персонала, и, кроме того, предварительное нагревание осуществляется при высоких температурах, ухудшающих качество продукта. Задача настоящего изобретения заключается в устранении недостатков, указанных выше посредством создания таких способа и устройства для непрерывной стерилизации и/или пастеризации неупакованных биологических и пищевых продуктов, в частности в жидком или вязком состоянии, которые обеспечивали полную и однородную обработку продукта с высокой надежностью, сохраняя неизмененными его органические и органолептические свойства. Следующая задача изобретения состоит в создании способа и устройства, не требующих применения специфического экранирования, и которые, следовательно, можно было бы можно использовать в сочетании или вместо стандартных нагревательных устройств. И еще одна задача изобретения упомянутое устройство должно быть простым и экономичным, пригодным для мелких производителей. Поставленные задачи решаются по изобретению тем, что продукт предварительно нагревают до температуры не ниже 40oС, но менее 50oС, электромагнитное поле создают посредством источника радиоволн в частотном диапазоне ниже 1 ГГц, облучают им продукт от 10 сек. до 1 мин, до температуры 50o и выдерживают в течение 10 сек до 1 мин в зависимости от концентрации бактериальной формы. Тем самым, обработка продукта проходит при температурах, более низких, чем максимально допустимая температура для активных составных частей продукта, определяющих его органические и органолептические свойства. Кроме того использование устройства по изобретению обеспечивает совершенно однородную обработку продуктов, независимо от того, является ли процесс непрерывным или периодическим. Соответственно, устройство по изобретению, предназначенное для непрерывной стерилизации или пастеризации биологических пищевых продуктов, в частности, в неупакованном жидком или вязком состоянии, содержащих бактериальное и споровое загрязнения, и включающее емкость для исходного продукта, контейнер для сбора обработанного продукта, сообщенный с емкостью трубопроводом, средство облучения части трубопровода с продуктом электромагнитным полем, со средством удержания продукта внутри области облучения, нагреватель для предварительного нагрева продукта, а также средства для регулирования мощности и частоты электромагнитного поля, отличается от известных устройств тем, что средство облучения продукта включает, по меньшей мере, одну пару обращенных одна к другой излучающих поверхностей, связанных с генератором электромагнитного поля, работающего в диапазоне ниже 1 ГГц, трубопровод для продукта включает участок выдержки продукта при максимальной температуре, расположенной ниже области облучения, а средства для регулирования времени облучения и температуры продукта установлены так, чтобы вести облучение в течение от 10 сек до 1 мин, до температуры около 50oС. Приведенные в формуле изобретения признаки способа и устройства по изобретению станут более понятными из подробного описания способа и устройства согласно изобретению, которое сопровождается следующими чертежами примерных вариантов выполнения конструкции, не ограничивающих объем изобретения. На чертежах: фиг. 1а и 1b схематично иллюстрируют структуру болезнетворного микроорганизма: фиг. 2 схема качественной связи между относительными диэлектрическими постоянными составных частей консервируемого продукта и резонансными частотами переменного электромагнитного поля; фиг.3 схематичный вид первого варианта выполнения устройства по изобретению; фиг. 4 схематичный вид части другого варианта выполнения устройства по изобретению; фиг. 5 вид части третьего варианта выполнения устройства по изобретению; и фиг.6 вид еще одного варианта выполнения устройства по изобретению. Способ по изобретению применяется для заданного объема или заданного расхода продукта, содержащего бактериальное или споровое загрязнение. Способ предусматривает стадию предварительного нагрева продукта известными методами нагревания до температуры, близкой к максимальной температуре обработки, например, 40-45oС. После этого следует стадия облучения электромагнитными волнами. В конкретном варианте выполнения, поле создают в открытом объеме, образованном парой противоположных облучающих поверхностей, соединенных с клеммами генератора. Генератор работает в диапазоне радиочастот ниже 1ГГц. Модность излучения Е и продолжительность облучения ti выбирают из условия повышения температуры продукта до максимального уровня (приблизительно 50oС) с тем, чтобы не изменялись органические и органолептические свойства продукта. Затем следует стадия выдержки продукта в течение периода при практически постоянной температуры, соответствующей максимальной температуре процесса. На стадии выдержки происходит полное разрушение микроорганизмов, содержащихся в обрабатываемом продукте. И в конце процесса обработки продукт подвергают охлаждению до температуры, применяемой для упаковки продуктов в стерильных условиях. Фиг.2 качественно иллюстрирует связь между электроводностью групп микроорганизмов, находящихся в продукте, и резонансными частотами. Группы болезнетворных бактерий, спороносных бактерий и протеинов соответственно обозначены I, II и III, а их относительные диэлектрические постоянные е1, е2 и е3 связаны с резонансными частотами f1, f2 и f3. Если частота переменного электромагнитного поля ниже резонансных частот протеинов, то вполне возможно сохранение органических и органолептических свойств консервируемых продуктов. Испытания и исследования показали, что наиболее действенный диапазон радиочастот находится в интервале от 6 МГц до 1 МГц, применение которых разрешено действующими международными нормами для промышленных радиочастотных нагревателей. Лучшие результаты были получены с частотами между 6 МГц и 915 МГц. Естественно для каждого конкретного продукта наилучшие результаты были достигнуты при вполне конкретных частотах. Например, для молока прекрасные результаты получены при частоте около 27 МГц. Удельная мощность электромагнитного поля, требуемая для повышения температуры на
Формула изобретения
1. Способ непрерывной стерилизации или пастеризации биологических и пищевых продуктов, в частности в неупакованном жидком или вязком состоянии, содержащих бактериальное и споровое загрязнения, включающий предварительное нагревание продукта в заданном объеме или в потоке заданной скорости, облучение указанного объема или потока предварительно нагретого продукта электромагнитным полем, а также последующее охлаждение продукта до температуры, близкой к температуре окружающей среды или температуре упаковки, отличающийся тем, что продукт предварительно нагревают до температуры не ниже 40oС, но менее 50oС, а электромагнитное поле генерируется посредством источника радиоволн в частотном диапазоне ниже 1 гГц, при этом продолжительность облучения составляет от 10 с до 1 мин, в результате чего продукт нагревают до 50oС и выдерживают в течение от 10 с до 1 мин в зависимости от концентрации бактериальной флоры. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение продукта ведут в две стадии, причем первая стадия облучения ведется для разрушения бактериальных комочков продукта, имеющих высокие бактериальные концентрации. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучение продукта ведут при частоте электромагнитного поля 6 915 мГц, а для молока и продуктов, получаемых из него, частота электромагнитного поля предпочтительно 13 27 мГц. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что облучение продукта ведут электромагнитным полем с удельной мощностью от 0,01 до 0,1 кВт/л, предпочтительно от 0,02 до 0,04 кВт/л. 5. Устройство для непрерывной стерилизации или пастеризации биологических и пищевых продуктов, в частности в неупакованном жидком или вязком состоянии, содержащих бактериальное и споровое загрязнения, включающее емкость для исходного продукта, контейнер для сбора обработанного продукта, сообщенный с емкостью трубопроводом, средство облучения части трубопровода с продуктом электромагнитным полем со средством удержания продукта внутри области облучения, нагреватель для предварительного нагрева продукта, а также средства для регулирования мощности и частоты электромагнитного поля, отличающееся тем, что средство облучения продукта включает по меньшей мере одну пару обращенных одна к другой излучающих поверхностей, связанных с генератором электромагнитного поля, работающего в диапазоне ниже 1 гГц, трубопровод для продукта включает участок выдержки продукта при максимальной температуре, расположенной ниже области облучения, а средства для регулирования времени облучения и температуры продукта установлены так, чтобы вести облучение в течение от 10 с до 1 мин, до температуры около 50oС. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство удержания продукта внутри области облучения выполнено в виде участка трубопровода, стенки которого выполнены из диэлектрического материала, прозрачного для радиочастотного электромагнитного поля, причем указанный материал имеет относительную диэлектрическую константу ниже относительной диэлектрической константы активных компонентов, определяющих органические и органолептические свойства продукта. 7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что излучающие поверхности средства облучения продукта выполнены цилиндрической формы и расположены коаксиально с образованием между ними по меньшей мере одного открытого пространства, имеющего форму тора. 8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что излучающие поверхности средства облучения продукта имеют плоскую форму и расположены параллельно одна другой так, чтобы образовать между ними по меньшей мере одно открытое промежуточное пространство. 9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что участок трубопровода, стенки которого выполнены из диэлектрического материала, выполнен в форме спирали и расположен в открытом промежуточном пространстве между излучающими поверхностями. 10. Устройство по п.5, отличающееся тем, что участок трубопровода для выдержки продукта при максимальной температуре выполнен в виде термоизолированного участка трубопровода, длина которого может регулироваться в зависимости от концентрации бактериального и спорового загрязнения. 11. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство удержания продукта внутри области облучения содержит второй участок трубопровода, стенки которого выполнены из диэлектрического материала, прозрачного для радиочастотного электромагнитного поля, размещенный выше первого по ходу движения продукта и последовательно соединенный с ним, при этом второй участок трубопровода расположен в открытом промежуточном пространстве между излучающими поверхностями, концентрично первому участку трубопровода и служит для превентивного облучения, достаточного для разрушения бактериальных и споровых агломератов.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6