Способ стерилизации жидких сред

Способ стерилизации жидких сред

Реферат

Изобретение относится к способам обработки жидкой среды путем воздействия на нее градиентом давления и ультрафиолетовым излучением и может найти применение при стерилизации вод хозяйственно-промышленного назначения, соков, молока и т.д., содержащих микроорганизмы размером от 1 до 10000 микрон.

Оно может быть дополнительно использовано, в частности, для обработки судовотанкерных балластных вод (БВ), применительно к которым «Международная конвенция о контроле судовых балластных вод и осадков и управлении ими», принятая в феврале 2004 г. под эгидой ООН, регламентировала количество содержащихся в БВ микроорганизмов: размером от 10 до 50 мкм не более 10 штук в 1 см³ и размером более 50 мкм - не более 10 штук в 1 м³. Причем указан т.н. минимальный диаметр - минимальный размер организма, например диаметр водоросли, длина которой не ограничена.

Известен аналог предложенного - реализованный в установке «Лазурь-М» способ стерилизации жидкой среды, в частности воды, при котором воздействие на водный поток с содержащимися в нем микроорганизмами осуществляют созданием градиента давления в водном массиве с использованием ультразвукового излучателя и одновременным воздействием на него бактерицидного (ультрафиолетового) излучения. [1] (Овчинникова М.Е. Использование ультрафиолета как современное бактерицидное средство. - ОРЕНБУРГ::ОГУ, Каф. Мед.-биофиз. техники, 2004 г.), что совпадает с существенными признаками предлагаемого. При этом ультрафиолетовое излучение непрерывно и воздействует на водный массив одновременно с воздействием ультразвуковых колебаний. Известен аналог предложенного - способ очистки сточных вод от органических веществ [2] (RU 2001882 C1, C02F 1/32, 29.11.1991 г.), при котором обработку сточных вод осуществляют импульсами ультрафиолетового излучения, что совпадает с существенными признаками предлагаемого, причем длительность импульсов составляет 10^-6-10^-4 с, частота следования импульсов 2,5·10^-5-100 Гц и период облучения 10^-2-1.8·10³ с.

Известен аналог предложенного - способ очистки и обеззараживания воды [3] (RU 2129991 C1, C02F 1/32, 10.05.1999 г.), при котором обработку сточных вод осуществляют низкотемпературной плазмой, что совпадает с существенными признаками предлагаемого, причем плазму генерируют с помощью плазмотрона, погруженного в воду.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ обработки воды [4] (RU 2272791 C1, C02F 1/74, 06.09.2004 г.), принятый в качестве прототипа, при котором воздействие на содержащиеся в воде вредные компоненты осуществляют созданием с помощью форсунки градиента давления в водном массиве с формированием ускоренного потока воды и последующим воздействием на него бактерицидного излучения, что совпадает с существенными признаками предлагаемого. При этом ультрафиолетовое (УФ) излучение непрерывно, а распыление форсункой водного потока осуществляется в воздушной среде с привлечением механизмов кавитации и окисления для обезвреживания растворенных в воде веществ. Затем отделение крупных фракций осуществляют с помощью гидроциклона, до и после которого используют обработку потока магнитным полем.

Недостаток указанных технических решений состоит в недостаточной эффективности и повышенной энергоемкости при создании высокопроизводительных систем стерилизации жидкой среды.

Способы [1-3] формируют поражающие факторы ультразвукового и ультрафиолетового излучений. Однако при этом эффективность стерилизации снижается. Дело в том, что ряд микроорганизмов, в частности их покоящиеся стадии, покрытые плотной защитной оболочкой, менее стойки к поочередно применяемым поражающим факторам - сначала целесообразно механически разрушить их защитную оболочку и только после воздействовать ультрафиолетовым излучением.

Способ [4] формирует недостаточно жесткий (эффективный) поражающий фактор механического воздействия. Воздушная форсунка и реализованный с ее помощью механизм окисления не обладает достаточной мощностью механического воздействия и для целей стерилизации недостаточно эффективен, требует снижения скорости обработки. Обеспечение эффективности воздействия поражающего фактора ультрафиолетового излучения также требует снижения скорости обработки, поскольку экспозиционная доза УФ-излучения падает с повышением скорости водного потока.

При этом процесс обработки воды замедляется, становится дороже, его производительность и экологичность снижаются. Кроме того, оба известных способа не обладают гибкостью в части соответствия энергетических затрат степени загрязненности жидкой среды.

Итак, недостаток известного аналога [1] и способа-прототипа [2] состоит в ухудшении следующих характеристик:

- эффективности

- энергоемкости;

- производительности;

- экологичности;

- функциональной гибкости (узость спектра применения);

- производительности процесса обработки;

- времени обработки.

Соответственно, требуемый при стерилизации жидких сред технический результат состоит в улучшении вышеуказанных характеристик.

Недостатки способа-прототипа устраняются в предлагаемом способе стерилизации жидкой среды, включающем создание градиента давления в жидкости с формированием ускоренного потока жидкости и воздействием на него бактерицидного излучения, что совпадает с существенными признаками прототипа. При этом после ускорения с формированием локальной декомпрессии, ударной волны и температурных импульсов в его объеме поток жидкой среды резко замедляют, а после воздействуют бактерицидным излучением в виде пульсирующего ультрафиолетового излучения и/или плазменного разряда, формируемого в микропузырьковой жидковоздушной среде, причем величина локальной декомпрессии составляет 0.05-0.5 МПа, скорость потока жидкой среды v>6 м/с, а частота импульсов ультрафиолетового излучения f>5 Гц.

Кроме того, поток жидкой среды после резкого замедления расширяют в плоскости, перпендикулярной потоку ультрафиолетового излучения.

Кроме того, плазменный разряд формируют в виде коронного разряда.

Итак, рассмотрим работу предлагаемого способа на примере стерилизации балластных вод.

Высокопроизводительный насос питает блок активизации водного потока, который создает градиент давления в водном массиве, формирует ускоренный поток воды. Затем водный поток подвергается резкому торможению. При этих операциях в нем формируют зоны локальной декомпрессии, ударные волны и температурные импульсы, а затем воздействуют бактерицидным излучением в виде пульсирующего ультрафиолетового излучения и/или плазменного разряда, формируемого в микропузырьковой жидковоздушной среде и перекрывающего сечение водного потока. Одной из форм реализации блока активизации водного потока может быть, например, кавитатор. Однако возможны и другие варианты реализации указанного блока.

Сочетанием указанных физических воздействий формируется широкий спектр поражающих факторов - в присутствии УФ (особенно жесткого ультрафиолетового излучения с длиной 185 нм) интенсивно нарабатываются активные радикалы, озон, пероксид водорода (Н₂О₂) и другие. Активные радикалы эффективно и равномерно растворяются в воде, а затем уничтожают патогенную микрофлору. При этом УФ-излучение существенно стимулирует действие активных радикалов. Кроме того, известно стерилизующее воздействие УФ на ДНК живых структур.

Аналогичное воздействие на стерилизуемые организмы оказывает и формируемый в объеме водного массива плазменный шар, полностью перекрывающий сечение проходящего сквозь него водного потока (для стерилизации полного объема воды). Отметим, что с целью повышения эффективности формирования плазменный разряд создается в микропузырьковой жидковоздушной среде, которая позволяет увеличить площадь поверхности активных межфазных границ и повысить устойчивость горения разряда. При этом облегчается поджиг разряда и уменьшаются энергозатраты на его поддержание, что повышает экономичность способа и надежность его реализации.

Факторы гидромеханического воздействия - декомпрессии и ударных волн характеризуются дополнительным свойством разрушения цитоскелета, хитиновых и целлюлозных оболочек, а также клеточных мембран живых организмов. Импульсы температуры вызывают коагуляцию белков стерилизуемых объектов. Таким образом, формируется широкий спектр поражающих факторов. Причем только их необходимая совокупность способна решить поставленную задачу.

Надо также отметить целесообразность сочетания ударных волн с УФ-излучением. Эффективность последнего зачастую снижается с учетом поглощения УФ из-за биообрастания поверхности прозрачной камеры, сквозь которую УФ проникает в водный массив. Роль гидромеханического воздействия ударных волн, кроме его стерилизующей функции, состоит в очистке поверхности корпуса и защитного кварцевого кожуха ультрафиолетового излучателя, что повышает эффективность его работы, а значит и эффективности способа в целом.

Один из вариантов создания импульсов декомпрессии, ударных волн и импульсов температуры предполагает использование механизма кавитации. Как известно, при этом скорость схлопывания пузырьков очень высока, и в окрестности точек схлопывания возникают экстремальные параметры - огромные температура и давление. Вблизи точки схлопывания полностью уничтожается патогенная микрофлора, и образуются активные радикалы. Каверны возникают в объеме камеры ультрафиолетового излучателя, причем преимущественно на неоднородностях. В качестве неоднородностей могут служить споры грибков и бактерий, которые затем, при схлопывании пузырька, оказываются в центре схлопывания, играя роль своеобразной мишени.

Следует отметить целесообразность согласования дозы УФ воздействия со степенью загрязненности воды. Для этого применяют импульсы ультрафиолетового излучения, параметры которых подбирают с использованием следующей эмпирической методики: определяют коэффициент загрязнения воды как отношение значения концентрации в воде контролируемого загрязнителя к его допустимому значению, и скважность импульсов УФ-излучения изменяют пропорционально коэффициенту загрязнения воды. Диапазон скважностей с учетом проведенного анализа выбирают достаточным для полного охвата реальных технических задач.

Значение формируемой локальной декомпрессии выбирают от 0.05 до 0.5 МПа с учетом необходимой вероятности стерилизации объектов в различных практических задачах. Этот диапазон давлений предполагает режимы воздействия от мягкого докавитационного до режима жесткой кавитации. При этом учтено, что некоторые жидкие среды (молоко, соки) требуют обработки в докавитационном режиме, поскольку при воздействии жестких воздействий могут ухудшаться их потребительские качества. Другие объекты (балластные воды) требуют применения более жесткого кавитационного режима.

Исходя из тех же физических предпосылок поток воды разгоняют до скорости v>6 м/с, а УФ-излучение подают в виде импульсов с частотой f>5 Гц.

Для увеличения мощности гидромеханических и температурных стерилизующих факторов, а также для увеличения экспозиционной дозы УФ-излучения на завершающем этапе процесса осуществляют замедление потока жидкости путем его расширения в плоскости, перпендикулярной потоку УФ-излучения. При этом возрастает облучаемая ультрафиолетом площадь потока, что позволяет снизить мощность используемых УФ ламп (с увеличением их числа) при увеличении дозы УФ воздействия с учетом большего времени экспозиции. Снижение мощности УФ-излучателей повышает надежность их работы, повышение же облучаемой площади увеличивает стерилизующий эффект, особенно при уменьшении толщины слоя, обрабатываемого УФ-излучением.

В случае недостаточной эффективности стерилизующего воздействия плазменного шара в пристеночной области дополнительно формируют коронный разряд на границе раздела сред. Границей раздела газ/жидкость может служить как поверхность газового пузырька внутри жидкости, так и свободная поверхность потока жидкости. Применение указанной формы разряда обеспечивает стабильность процесса обработки воды, необходимую экологичность и экономичность установки.

Итак, предложен способ стерилизации жидкой среды, включающий создание градиента давления в водном массиве с формированием ускоренного потока воды и воздействием на него бактерицидного излучения, отличающийся тем, что после ускорения с формированием локальной декомпрессии, ударной волны и температурных импульсов в его объеме поток жидкой среды резко замедляют, а после воздействуют бактерицидным излучением в виде пульсирующего ультрафиолетового излучения и/или плазменного разряда, формируемого в микропузырьковой жидковоздушной среде, причем величина локальной декомпрессии составляет 0.05-0.5 МПа, скорость потока жидкой среды v>6 м/с, а частота импульсов ультрафиолетового излучения f>5 Гц.

Кроме того, поток жидкой среды после резкого замедления расширяют в плоскости, перпендикулярной потоку ультрафиолетового излучения.

Кроме того, плазменный разряд формируют в виде коронного разряда.

Далее покажем, что именно благодаря существенным отличиям предлагаемого способа обеспечивается требуемый технический результат.

То, что воздействие на содержащиеся в жидкой среде микроорганизмы осуществляют созданием градиента давления в водном массиве с формированием ускоренного потока воды и воздействием на него бактерицидного излучения, причем после ускорения с формированием локальной декомпрессии, ударной волны и температурных импульсов в его объеме поток жидкой среды резко замедляют, а после воздействуют бактерицидным излучением в виде пульсирующего ультрафиолетового излучения и/или плазменного разряда, формируемого в микропузырьковой жидковоздушной среде, снижает суммарную энергоемкость способа, т.к. позволяет оптимально распределить воздействующую энергию на требуемые поражающие факторы процесса стерилизации. При этом обеспечиваются необходимая эффективность, экологичность и надежность процесса стерилизации за счет широкого спектра поражающих факторов. При этом повышается производительность и снижаются временные затраты.

Причем формирование локальной декомпрессии величиной от 0.05 до 0.5 МПа обеспечивает необходимую эффективность процесса стерилизации, особенно в части дозирования механического поражающего фактора с учетом необходимости его применения к объектам различной структурной прочности - от «нежных» объектов - молока и соков до воздействия на живые организмы с твердыми элементами структуры (оболочкой, скелетом) в балластных и сточных водах.

Ускорение жидкости до скорости v>6 м/с и подача УФ-излучения в виде импульсов с частотой f>5 Гц позволяют обеспечить необходимую экспозицию при реальных размерах предполагаемой установки, реализующей предлагаемый способ, а также сообщает ему функциональную гибкость (расширяет спектр применения). Действительно, жидкие пищевые среды, например молоко, соки, как уже отмечалось, рекомендуется обрабатывать в докавитационном режиме, т.е при скоростях потока менее 20 м/с, а балластные воды в ряде случаев требуют более жесткой обработки с выходом в режим кавитации. При этом также повышается экономическая эффективность стерилизации жидких сред с использованием предлагаемого способа, т.к. маневрирование скоростью потока обрабатываемой жидкости и скважностью импульсов ультрафиолетового излучения позволяет соотносить энергетические затраты со степенью загрязненности жидкости.

То, что замедление водного потока осуществляют путем его расширения в плоскости, перпендикулярной потоку УФ-излучения, позволяет повысить производительность процесса обработки при сохранении необходимого времени экспозиции водного массива для Уф-излучения.

То, что плазменный разряд формируют в виде коронного разряда, позволяет повысить надежность стерилизации, экологичность и эффективность способа.

Приведем ряд практических примеров применения предлагаемого способа.

Пример №1

Готовили образец, содержащий смесь живых микроорганизмов размером от 10 мкм до 2 см (дафнии, коловратки, мотыль, яйца артемии, сине-зеленые водоросли общей биомассой 3,801 мг/л воды). С помощью насоса производительностью 1 м³/ч образец пропускали через блок активизации водного потока, затем водный поток подвергали резкому торможению, с помощью чего формировали локальную декомпрессию величиной 0,05 МПа, ускоряли поток воды до скорости v=6,1 м/с. Затем образец облучали УФ-излучением с длиной волны 185 нм в виде импульсов с частотой f=5,5 Гц, причем водный поток замедляли путем его расширения в плоскости, перпендикулярной потоку УФ-излучения, в 2.5 раза. Затем образец пропускали через ячейку, в которой создавали плазменный разряд, перекрывавший сечение, проходящее через него водного потока. Параметры разряда следующие: диаметр электрода d=10 мм, напряжение на электроде - 850 В. Для его возбуждения использовали медные электроды, вмонтированные в стенки ячейки, и пропускали ток 3 А, а к пропускаемой воде добавляли микропузырьки воздуха из компрессора мощностью 5 кВт под давлением 5 атм. Объем образца составил 10 л. Время обработки образца составило 36 с. Контроль жизнеспособности микроорганизмов в образце проводили методом световой микроскопии. Из образца отбирали 10 проб объемом v1=10 мкл, помещали в камеру Горяева на предметное стекло, прикрывали покровным стеклом и микроскопировали при увеличении 1×40-1×400. В результате подсчета определили жизнеспособность, которая составила 0 штук/мл, что соответствует санитарным нормам для балластных вод.

Пример №2

Готовили образец, содержащий смесь живых микроорганизмов размером от 10 мкм до 2 см (дафнии, коловратки, мотыль, яйца артемии, сине-зеленые водоросли общей биомассой 3,801 мг/л воды). С помощью насоса производительностью 1 м³/ч образец пропускали через блок активизации водного потока, затем водный поток подвергали резкому торможению, с помощью чего формировали локальную декомпрессию величиной 0,5 МПа, температурные импульсы амплитудой 105°С и ускоряли поток воды до скорости v, равной 7 м/с. Затем образец облучали УФ-излучением с длиной волны 185 нм в виде импульсов с частотой f=6 Гц и скважностью 50, причем водный поток замедляли путем его расширения в плоскости, перпендикулярной потоку УФ-излучения, в 2.5 раза. Объем образца составил 10 л. Время обработки образца составило 36 с. Контроль жизнеспособности микроорганизмов в образце проводили методом световой микроскопии. Из образца отбирали 10 проб объемом v1=10 мкл, помещали в камеру Горяева на предметное стекло, прикрывали покровным стеклом и микроскопировали при увеличении 1×40-1×400. В результате подсчета определили жизнеспособность, которая составила 9 штук/мл, что соответствует санитарным нормам для балластных вод.

Пример №3

Готовили образец, содержащий смесь живых микроорганизмов размером от 10 мкм до 2 см (дафнии, коловратки, мотыль, яйца артемии, сине-зеленые водоросли общей биомассой 3,906 мг/л яблочного сока). С помощью насоса производительностью 1 м³/ч образец пропускали через блок активизации жидкостного потока, который затем подвергали резкому торможению, с помощью чего формировали локальную декомпрессию величиной 0,05 МПа, температурные импульсы амплитудой 110°С и ускоряли поток воды до скорости v, равной 6,1 м/с. Затем образец облучали УФ-излучением в виде импульсов с частотой f=5,5 Гц и скважностью 2,75, причем водный поток замедляли путем его расширения в плоскости, перпендикулярной потоку-УФ излучения, в 2.5 раза. Объем образца составил 3 л. Время обработки образца составило 12 с. Контроль жизнеспособности микроорганизмов в образце проводили методом световой микроскопии. Из образца отбирали 10 проб объемом v1=10 мкл, помещали в камеру Горяева на предметное стекло, прикрывали покровным стеклом и микроскопировали при увеличении 1×40-1×400. В результате подсчета определили жизнеспособность, которая составила 0 штук/мл, что соответствует санитарным нормам для пищевых продуктов.

Пример №4

Готовили образец, содержащий смесь живых микроорганизмов размером от 10 мкм до 2 см (дафнии, коловратки, мотыль, яйца артемии, сине-зеленые водоросли общей биомассой 3,801 мг/л яблочного сока). С помощью насоса производительностью 1 м³/ч образец пропускали через блок активизации жидкостного потока, последний затем подвергали резкому торможению, с помощью чего формировали локальную декомпрессию величиной 0,05 МПа, температурные импульсы амплитудой 110°С и ускоряли поток воды до скорости v, равной 7 м/с. Затем образец облучали УФ-излучением в виде импульсов с частотой f=6 Гц и скважностью 50, причем водный поток замедляли путем его расширения в плоскости, перпендикулярной потоку УФ-излучения, в 2.5 раза. Объем образца составил 3 л. Время обработки образца составило 12 с. Контроль жизнеспособности микроорганизмов в образце проводили методом световой микроскопии. Из образца отбирали 10 проб объемом v1=10 мкл, помещали в камеру Горяева на предметное стекло, прикрывали покровным стеклом и микроскопировали при увеличении 1×40-1×400. В результате подсчета определили жизнеспособность, которая составила 0 штук/мл, что соответствует санитарным нормам для пищевых продуктов.

Пример №5

Готовили образец, содержащий смесь живых микроорганизмов размером от 10 мкм до 2 см (дафнии, коловратки, мотыль, яйца артемии, сине-зеленые водоросли общей биомассой 3,714 мг/л молока). С помощью насоса производительностью 1 м³/ч образец пропускали через блок активизации водного потока, затем водный поток подвергали резкому торможению, с помощью чего формировали локальную декомпрессию величиной 0,05 МПа, температурные импульсы амплитудой 110°С и ускоряли поток воды до скорости v, равной 6,1 м/с. Затем образец облучали УФ-излучением в виде импульсов с частотой f=5,5 Гц и скважностью 1,75, причем водный поток замедляли путем его расширения в плоскости, перпендикулярной потоку УФ-излучения, в 2.5 раза. Объем образца составил 3 л. Время обработки образца составило 12 с. Контроль жизнеспособности микроорганизмов в образце проводили методом световой микроскопии. Из образца отбирали 10 проб объемом v1=10 мкл, помещали в камеру Горяева на предметное стекло, прикрывали покровным стеклом и микроскопировали при увеличении 1×40-1×400. В результате подсчета определили жизнеспособность, которая составила 0 штук/мл, что соответствует санитарным нормам для молочных продуктов.

Пример №6

Готовили образец, содержащий смесь живых микроорганизмов размером от 10 мкм до 2 см (дафнии, коловратки, мотыль, яйца артемии, синезеленые водоросли общей биомассой 4,125 мг/л молока). С помощью насоса производительностью 1 м³/ч образец пропускали через блок активизации водного потока, затем водный поток подвергали резкому торможению, с помощью чего формировали локальную декомпрессию величиной 0,05 МПа, температурные импульсы амплитудой 110°С и ускоряли поток воды до скорости v, равной 7 м/с. Затем образец облучали УФ-излучением в виде импульсов с частотой f=6 Гц и скважностью 50, причем водный поток замедляли путем его расширения в плоскости, перпендикулярной потоку УФ-излучения, в 2.5 раза. Объем образца составил 5 л. Время обработки образца составило 18 с. Контроль жизнеспособности микроорганизмов в образце проводили методом световой микроскопии. Из образца отбирали 10 проб объемом v1=10 мкл, помещали в камеру Горяева на предметное стекло, прикрывали покровным стеклом и микроскопировали при увеличении 1×40-1×400. В результате подсчета определили жизнеспособность, которая составила 0 штук/мл, что соответствует санитарным нормам для молочных продуктов.

Пример №7

Готовили образец, содержащий смесь живых микроорганизмов размером от 10 мкм до 2 см (дафнии, коловратки, мотыль, яйца артемии, сине-зеленые водоросли общей биомассой 3,801 мг/л воды). С помощью насоса производительностью 1 м³/час образец пропускали через блок активизации водного потока, затем водный поток подвергали резкому торможению, с помощью чего формировали локальную декомпрессию величиной 0,05 МПа, ускоряли поток воды до скорости v=6,1 м/с. Затем образец пропускали через ячейку, в которой создавали плазменный разряд, перекрывавший сечение проходящего через него водного потока. Параметры разряда следующие: диаметр электрода d=10 мм, напряжение на электроде - 850 В. Для его возбуждения использовали медные электроды, вмонтированные в стенки ячейки, и пропускали ток 3 А, а к пропускаемой воде добавляли микропузырьки воздуха из компрессора мощностью 5 кВт под давлением 5 атм. Объем образца составил 10 л. Время обработки образца составило 36 с. Контроль жизнеспособности микроорганизмов в образце проводили методом световой микроскопии. Из образца отбирали 10 проб объемом v1=10 мкл, помещали в камеру Горяева на предметное стекло, прикрывали покровным стеклом и микроскопировали при увеличении 1×40-1×400. В результате подсчета определили жизнеспособность, которая составила 0 штук/мл, что соответствует санитарным нормам для балластных вод.

Таким образом, показано, что требуемый технический результат действительно достигается за счет существенных отличий предлагаемого способа.

Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого изобретения.

1. Способ стерилизации жидких сред, включающий создание градиента давления в водном массиве с формированием ускоренного потока воды и воздействием на него бактерицидного излучения, отличающийся тем, что после ускорения с формированием локальной декомпрессии, ударной волны и температурных импульсов в его объеме, поток жидкой среды резко замедляют, а после воздействуют бактерицидным излучением в виде пульсирующего ультрафиолетового излучения и/или плазменного разряда, формируемого в микропузырьковой жидковоздушной среде, причем величина локальной декомпрессии составляет 0,05-0,5 МПа, скорость потока жидкой среды v>6 м/с, а частота импульсов ультрафиолетового излучения f>5 Гц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток жидкой среды после резкого замедления расширяют в плоскости, перпендикулярной потоку ультрафиолетового излучения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что плазменный разряд формируют в виде коронного разряда.