В современной технологической аппаратуре пищевой промышленности широкое распространение получили устройства, использующие кавитационный эффект воздействия на обрабатываемую среду.
Ключевые слова: гидродинамическая кавитация, акустическая кавитация, технология, процесс.
В последнее время достигнуты определенные успехи в разработке принципиально новых конструкций смесителей. Рассматривая тенденции развития смесительного оборудования, можно отметить, что все большее распространение находят идеи использования для интенсификации процессов смешения новых физических эффектов и явлений. Среди таких процессов наибольший интерес представляет кавитационная технология.
Различают гидродинамическую и акустическую кавитацию. Гидродинамическая кавитация возникает за счет местного понижения давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела, акустическая — при прохождении через жидкость акустических колебаний. Эти явления называются синпериодической кавитацией. Синпериодическая кавитация — это процесс одновременного возникновения и схлопывания парогазовых микроскопических пузырьков, при этом возникают резкие точечные повышения давления и температуры. Вот суть кавитации. И от того, каким способом будет достигнуто явление кавитации, зависит применение в технологическом процессе кавитационного устройства конкретного типа.
В литературе приведены примеры наиболее частого использования акустической кавитации. Это явление возникает под воздействием принудительно распространяемых в жидкой среде колебаний ультразвуковой частоты и строго заданной амплитуды давления — так называемого звукового давления. Источником колебаний является ультразвуковой реактор. При колебаниях излучателя с ультразвуковой частотой в обрабатываемой среде возникают чередования сжатий и растяжений, которые создают перепад давления относительно постоянного статического давления. В фазе разрежения акустической волны в жидкости образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения полость захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз. Анализ литературных источников, в которых описана практика применения ультразвуковых реакторов, позволяет сделать вывод о некоторых неудобствах их применения. Так, прокачка рабочей жидкости через ультразвуковой реактор предполагает тщательный подбор параметров как самого реактора, так и обрабатываемой среды. Это прежде всего акустические параметры — звуковое давление и частота; термодинамические — внешнее давление и температура; параметры жидкости — плотность, вязкость, поверхностное натяжение, давление насыщенного пара жидкости, растворимость в ней газа. В противном случае кавитационные явления могут не развиться, так как существует некоторое критическое значение статического давления, ниже которого с повышением статического давления эффективность кавитации растет, а выше которого падает, то есть в каждом конкретном случае необходим тщательный анализ и подбор параметров. Поэтому представляется более удобным применение гидродинамических кавитационных аппаратов.
Принцип действия гидродинамических кавитационных аппаратов достаточно прост: в поток помещают устройство (например, решетку, составленную из цилиндров), обеспечивающее локальный разгон потока до скорости, при которой давление снижается до давления насыщенного пара. Благодаря этому создаются условия для кавитации. В потоке зарождаются парогазовые пузырьки, которые при дальнейшем разгоне потока растут, а при их переносе в области повышенных давлений — схлопываются.
В настоящее время в пищевой промышленности известны технологии кавитационной обработки рабочих жидкостей. Так технология приготовления хлебопекарного и кондитерского теста на кавитационно-активированной воде, сопровождающаяся гидратационной структуризацией белков клейковины, позволяет увеличить удельный объем хлеба, повысить его эластичность, замедлить очерствение и сократить использование хлебопекарных улучшителей. Кавитационная обработка сахарно-солевых растворов перед смешиванием их с тестом позволяет снизить содержание в хлебе соли и сахара без изменения вкуса и пищевой ценности продукта [1].
Приготовление хлебопекарного и кондитерского теста на кавитационно-активированной воде, сопровождающееся гидратационной структуризацией белков клейковины, позволяет увеличить удельный объем хлеба, повысить его эластичность, замедлить очерствение и сократить использование хлебопекарных улучшителей. Обработка сахарно-солевых растворов в кавитационном реакторе перед смешиванием их с тестом позволяет снизить содержание в хлебе соли и сахара на 15…20 % без изменения вкуса и пищевой ценности продукта. Кавитационная технология позволяет производить жировые эмульсии для теста только из растительных жиров и воды, так как в процессе их приготовления происходит частичный гидролиз жиров с образованием ди- и моноглицеридов, являющихся природными эмульгаторами [2].
При производстве пшеничного хлеба изучена возможность использования гидродинамической кавитации при получении зерновой суспензии. Готовый продукт имеет высокие вкусовые качества, по органолептическим признакам отвечает необходимым требованиям, влажность составляет 48 %, кислотность — 2 °, пористость — 68 %. Произведённый расчёт экономической эффективности включения гидродинамической кавитации в технологический процесс производства зернового хлеба на этапе помола показал, что экономический эффект на 1 т готовой продукции (хлеб) составит 2139 руб. [3].
Технология кондиционирования зерна перед его помолом аэрозолем кавитационно-активированной воды обеспечивает быструю диффузию воды и интенсивную гидратацию белков и крахмала, в результате чего сокращается время подготовки зерна к помолу в три раза и уменьшаются энергозатраты.
Исследования технологии по методу академика В. А. Панфилова показали, что кавитационная дизентиграция снижает чувствительность процесса выработки сортовой муки к качеству сырья в 2,3 раза. Это дает возможность получать товарную муку в соответствии с требованиями ГОСТ 26574–85, используя в виде компонента помольной партии большую часть (до 75 %) зерна 4 класса, а при отдельных сочетаниях типов — до 100 % такого зерна.
В настоящее время в хлебопекарной промышленности широко применяются в рецептурах приготовления теста для массовых сортов хлебобулочных изделий концентрированные жироводные эмульсии, состоящие из растительного масла (подсолнечного, хлопкового, соевого и др.), воды и подсолнечных или соевых фосфатидов. Данная эмульсия имеет жидкую консистенцию и повышенную устойчивость к расслоению: более 10 суток жироводные эмульсии не расслаиваются, а наличие фосфатидов повышает физиологическую ценность хлебобулочных изделий, так как фосфатиды играют значительную роль в окислительных процессах в живом организме: они не только регулируют энергоснабжение клеток и их потребность в кислороде, способствуют передаче информации между ними, но и нормализуют функции печени, желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой и иммунной системы.
Для осуществления вышеперечисленных кавитационных технологий, применяемых в пищевой промышленности, используют ультразвуковые реакторы, реализующие акустическую кавитацию. С нашей точки зрения наибольшие перспективы имеет применение гидродинамической кавитации. Причем, повышение эффективности процесса смешения гидродинамической кавитации позволило выделить отдельное направление в развитии смесительного оборудования. Промышленная эксплуатация кавитационных смесителей показала, что их применение позволяет в несколько раз интенсифицировать процессы смешения. Гидродинамические кавитационные смесители имеют больший КПД, чем ультразвуковые аппараты аналогичного назначения.
Если же гидродинамическую кавитацию «дополнить» интересным эффектом — в зоне кавитации сформировать сверхзвуковое течение двухфазной среды, то в условиях трения рабочей камеры устройства оно неизбежно перейдет в дозвуковой режим через скачок давления, энергия которого будет направлена на саму среду. В результате этого эффект кавитационного воздействия оказывается наиболее полным. Теоретически обоснованы и экспериментально установлены оптимальные режимы работы кавитационного устройства такого типа с минимальным энергопотреблением [4–10].
Актуальной на сегодняшний день задачей охраны окружающей среды является использование безреагентных методов очистки воды. Безреагентные методы очистки воды не загрязняют природную среду химическими веществами, не оказывают вредного или раздражающего воздействия на организм человека при контакте с очищенной водой. Одним из перспективных методов очистки воды является кавитационная обработка воды [11]. В высокоскоростных потоках жидкости в условиях кавитации рождаются пузырьки слабоионизированного газа. При этом образуются химически активные радикалы, способствующие окислению примесей органической и неорганической природы в воде. При кавитационном воздействии на воду разрушаются коллоиды и частицы, внутри которых могут содержаться бактерии. Тем самым болезнетворные организмы лишаются защиты перед другими химическими и физическими воздействиями кавитации. Бактерицидное действие кавитации прямо пропорционально ее интенсивности, кратности или времени обработки. Воздействие кавитации на водные растворы сводится к расщеплению молекул воды в кавитационных пузырьках. Действие кавитации на воду приводит к изменению ее физико-химических свойств: увеличению рН, электропроводности воды, увеличению числа свободных ионов и активных радикалов, структуризации и активации молекул. Воздействие кумулятивных струй жидкости, локальные пульсации давления и температуры при схлопывании кавитационных микропузырьков способны вызывать гибель бактерий, что может использоваться при обеззараживании жидких продуктов и растворов. При интенсивном воздействии ударных волн в водных растворах было показано уменьшение численности в тысячи раз санитарно значимых представителей семейства Enterobacteriaceae — грамотрицательных бактерий Echerichia coli и Salmonella sp [12].
На кафедре прикладной биотехнологии разрабатываются инновационные биопродукты с заданными техническими характеристиками [13–19]. Предполагается широкое применение кавитационных технологий при разработке технических регламентов производства биопродуктов. [20–27].
Литература:
1. Шестаков С. Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции. Теория кавитационного реактора и ее приложения в производстве хлебопродуктов. М.: ЕВА-пресс, 2001. 173 с.
2. Промтов М. А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов. Вестник Тамбовского гос. техн. ун-та. 2008. Т. 14. № 4. С. 861–869.
3. Шестаков С. Д. Многопузырьковая акустическая кавитация: математическая модель и физическое подобие. СПб.: Крыловский государственный научный центр, 2010. 4 с.
4. Прохасько Л. С. Гидродинамика и расчет кавитационных смесителей непрерывного действия: автореферат дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. Пермь: Изд-во ПГТУ, 2000. 20 с.
5. Спиридонов Е. К., Прохасько Л. С., Боковиков В. С., Валиев А. Х. Смеситель кавитационного типа Патент РФ № 2158627 от 10.11.2000. Приоритет изобретения 23.03.1999 г.
6. Прохасько Л. С., Ребезов М. Б., Зинина О. В., Залилов Р. В., Мазаев А. Н., Асенова Б. К., Ярмаркин Д. А. Смеситель кавитационного типа для жидких пищевых сред. Патент на полезную модель РФ № 136741 от 20.01.2014. Приоритет изобретения 16.04.2013 г.
7. Прохасько Л.С, Ребезов М.Б, Асенова Б. К., Зинина О. В., Залилов Р. В., Ярмаркин Д. А. Применение гидродинамических кавитационных устройств для дезинтеграции пищевых сред. Сборник научных трудов SWorld. 2013. Т. 7. № 2. С. 62–67.
8. Прохасько Л. С., Залилов Р. В., Ребезов Я. М. Расчет кавитационных устройств для обработки жидких пищевых сред. Техника и технология пищевых производств: мат. IХ междунар. науч.- технич. конф. (25–26 апреля 2013 г). Могилев: МГУП, 2013. С. 260.
9. Прохасько Л. С., Ярмаркин Д. А. Математическая модель рабочего процесса гидродинамического кавитационного смесителя. Технические науки — от теории к практике. 2013. № 10. С. 61–65.
10. Прохасько Л. С., Ярмаркин Д. А. К вопросу об определении продольных размеров гидродинамических кавитационных устройств. Естественные и математические науки в современном мире. 2013. № 10–11. С. 117–121.
11. Прохасько Л. С. Применение гидродинамических кавитационных устройств для процессов водоочистки. Международная научно-практическая конференция «Чистая вода — 2009»: сб. науч. тр. Кемерово: КТИПП, 2009. С. 460–464.
12. Промтов М. А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов. Вестник Тамбовского гос. техн. ун-та. 2008. Т. 14. № 4. С. 861–869.
13. Зинина О. В., Жакслыкова С. А., Солнцева А. А., Чернева А. В., Ребезов М. Б. Полуфабрикаты мясные рубленые с ферментированным сырьем. Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. 2012. № 3. С. 19–25.
14. Наумова Н. Л., Ребезов М. Б., Варганова Е. Я. Функциональные продукты. Спрос и предложение. Челябинск: ИЦ ЮУрГУ, 2012. 78 с.
15. Губер Н. Б., Ребезов М. Б., Асенова Б. К. Перспективные способы разработки мясных биопродуктов. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. 2014. Т. 2. № 1. С. 72–79.
16. Ребезов М. Б., Амирханов К. Ж., Асенова Б. К., Смольникова Ф. Х. Технология и рецептура печенья овсяного «Солнечное». Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2013. № 7. С. 94–97.
17. Асенова Б. К., Амирханов К. Ж., Ребезов М. Б. Технология производства функциональных продуктов питания для экологически неблагоприятных регионов. Торгово-экономические проблемы регионального бизнес-пространства. 2013. № 1. С. 313–316.
18. Ребезов М. Б., Несмеянова О. В. Технология получения новых кисломолочных и мясных биопродуктов функционального назначения на основе поликомпонентных смесей (патентный поиск). Экономика и бизнес. Взгляд молодых: мат. междунар. заочной научн.-практ. конф. молодых ученых, 3 декабря 2012 г. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012. С. 263–265.
19. Догарева Н. Г., Стадникова С. В., Ребезов М. Б. Создание новых видов продуктов из сырья животного происхождения и безотходных технологий их производства. В сборнике: Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: Всероссийской научно-методической конференции (с международным участием). 2013. С. 945–953.
20. Зинина О. В., Ребезов М. Б., Соловьева А. А. Биотехнологическая обработка мясного сырья. В.Новгород: Новгородский технопарк, 2013. 272 с.
21. Ребезов М. Б., Топурия Г. М., Асенова Б. К. Виды опасностей во время технологического процесса производства сыровяленых мясопродуктов и предупреждающие действия (на примере принципов ХАССП). Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. 2014. Т. 2. № 1. С. 60–66.
22. Соловьева А. А., Зинина О. В., Ребезов М. Б., Лакеева М. Л., Гаврилова Е. В. Актуальные биотехнологические решения в мясной промышленности. Молодой ученый. 2013. № 5. С. 105–107.
23. Лукин А. А., Наумова Н. Л., Зинина О. В., Пирожинский С. Г., Ребезов М. Б. Использование коллагенового гидролизата в технологии производства мясного хлеба. Вестник Тихоокеанского государственного экономического университета. 2011. № 3. С. 134–140.
24. Зинина О. В., Ребезов М. Б. Технологические приемы модификации коллагенсодержащих субпродуктов. Мясная индустрия. 2012. № 5. С. 34–36.
25. Зайнутдинов Р. Р., Ребезов М. Б. Культуральные свойства дрожжей, полученных на основе аспирационных отходов зерноперерабатывающих предприятий. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. 2013. Т. 1. № 1. С. 4–8.
26. Лиходумова М. А., Прохасько Л. С., Ярмаркин Д. А., Асенова Б. К., Залилов Р. В. Инновационные технологии водоподготовки для производства слабо- и безалкогольной продукции. Молодой ученый. 2013. № 10. С. 159–161.
27. Кондратьева А. В., Ярмаркин Д. А., Прохасько Л. С., Асенова Б. К., Залилов Р. В. Новые технологии обработки молочной продукции (на примере молока коровьего). Молодой ученый. 2013. № 10. С. 146–149.
