Понедельник, 27.05.2019, 04:04
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту



Главная » Статьи » Естественные науки

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ПЛАЗМОЛИЗА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

И.В. Юдаев, доктор технических наук, профессор.
Р.Г. Кокурин.
Ю.В. Даус

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ПЛАЗМОЛИЗА РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

В настоящее время вопросам внедрения интенсивных, энергосберегающих технологий, минимально негативно влияющих на экологическую и пищевую безопасность, уделяется особое внимание, особенно при производстве продуктов питания. К таким технологическим операциям относится и электроимпульсный плазмолиз объектов растительного происхождения (плоды, овощи, бахчевые культуры и т.п.). Обработка растительного сырья применяется на предварительном этапе перед экстрагированием или сушкой продуктов для обеспечения сохранности полезных веществ в продукте, что сокращает время его приготовления и снижает потребление энергии на его производство. Для осуществления электрического воздействия на обрабатываемое сырье специально разработан генератор импульсного напряжения, который полностью отвечает требованиям технологического процесса, формирует на своем выходе импульсы с экспоненциальным срезом амплитудой - 13 кВ; длительностью - 65 мкс; временем нарастания фронта импульса - 300 нс; временем среза импульса - 63 мкс. Работа генератора в комплексе с экспериментальной установкой позволила исследовать процесс электроимпульсного плазмолиза растительной ткани яблок и тыквы. Интенсивное соковыделение наблюдается из тех образцов, к которым подводилось количество воздействующих высоковольтных импульсов до 100 штук, при этом масса выделяемого прессованием сока увеличивается, в сравнении с количеством сока, полученного от электрически необработанной массы яблок, при напряженности электрического поля в растительной ткани 5 кВ/см - в 9,7 раза, 10 кВ/см - в 15,6 раза, 15 кВ/см - в 16,7 раза, 20,0 кВ/см - в 15,3 раза. Подобная закономерность прослеживается и при изучении изменения сопротивления растительной ткани образцов тыквы, только в направлении уменьшения, что справедливо, так как при электрическом повреждении электропроводимость растительных тканей повышается.

Ключевые слова: электрообработка растительного сырья, высоковольтные импульсы, генератор высоковольтных импульсов, блочная структура.

 

Введение. В настоящее время при выращивании продукции сельского хозяйства и ее переработке на предприятиях и комплексах интенсивно и с высоким показателями технологической эффективности применяют разнообразные электротехнологии и технические средства для их реализации [2]. Из всех видов электрофизического воздействия на объекты обработки электроимпульсное подведение электрической энергии к последним считается не только безопасным с точки зрения пищевых аспектов и экологической чистоты, но и энергосберегающим мероприятием. Применение электроимпульсных высоковольтных воздействий или импульсных электрических полей с высокой интенсивностью является основой инновационных технологий обработки растительного сырья и материалов в перерабатывающей и пищевой промышленности [13, 7, 18].

При переработке сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов электрические воздействия применяются для инактивации вредных микроорганизмов, бактерий и ферментов [16]. Электроимпульсные высоковольтные воздействия при напряженности поля более 10 кВ/см используются при производстве фруктовых соков, что позволяет максимально эффективно инактивировать бактерии при незначительном ухудшении вкуса получаемых продуктов, а также их аромата, цвета и пищевой ценности [10, 17]. Применение этой электротехнологии также позволяет решать технологические задачи по обратимой и необратимой пермеабилизации клеток растительных тканей [12, 6]. Импульсные электрические поля высокой интенсивности с напряженностью поля менее 10 кВ/см в пищевой промышленности позволяют получать высокоценные метаболиты [9, 11], увеличивать выход фруктовых и овощных соков [8, 15], ускорять массоперенос в процессе сушки продуктов питания [15, 14] и т.п.

Технологической операцией, позволяющей максимально использовать скрытые в растительном сырье ресурсы, является электроплазмолиз, который применяют при подготовке фруктов, плодов и овощей к экстрагированию, бахчевых культур и плодов к сушке и т.п. Технологическая эффективность этой электротехнологии определяется такими показателями, как скорость ввода электрической энергии во внутриклеточные компоненты обрабатываемого растительного сырья, необратимая пермебеализация мембранных компонентов клеток, ограничение температурных режимов, минимизация затрат энергии на процесс и др. [1, 4, 3, 5].

Реализовать процесс электроимпульсного плазмолиза можно, используя специализированное электротехнологическое оборудование, с помощью которого формируются и подводятся к объектам обработки импульсы высокого напряжения требуемой длительности, частоты, амплитуды и необходимой формы.

Для обоснования режимов обработки, выявления энергетических показателей и технологических характеристик необходимо проведение подробных исследований по изучению процесса электроимпульсного плазмолиза растительного сырья, которые невозможно осуществить без использования специальных электрических установок, основным элементом которых является генератор высоковольтных импульсов. Причем эти устройства должны обладать возможностью настройки и регулирования их выходных параметров, высокой надежностью в работе, иметь небольшие габариты, быть простыми в сборке, наладке и эксплуатации. Поэтому было принято решение для осуществления обозначенных задач проводимых исследований разработать и изготовить генератор импульсного напряжения с емкостным накопителем энергии, который позволяет получать импульсы с крутым фронтом и экспоненциальным срезом.

Целью статьи является обоснование структуры и принципиальной схемы генератора импульсного напряжения, а также анализ результатов его испытания при изучении процесса электроимпульсного плазмолиза растительного сырья.

Описание схемы генератора импульсного напряжения и его работы. Генератор импульсного напряжения состоит из основных структурных элементов: блока управления, блока коммутации и высоковольтного блока. Блок управления имеет в своем составе настраиваемый задатчик подачи поджигающих импульсов для импульсного тиратрона, который смонтирован во втором блоке - блоке коммутатора. Рассмотрим более подробно компоновку этих блоков, их принципиальные схемы (рисунок 1) и принцип функционирования.

Блок управления. Сетевое напряжение через предохранитель FU1 поступает на трансформаторы ТУ1 и 1V2, где его значение понижается до 140 и 12 В соответственно и подается на диодные мосты VD1 и VD2, на выходе которых располагаются сглаживающие конденсаторы C1-C3. Резистор R1, подключенный через нормально замкнутую обмотку реле К1, обеспечивает разряд конденсатора С1 в том случае если установка отключена от сети. При подключении установки к сети на обмотку реле К1 подается напряжение значением 12 В и отключает резистор R1, который прекращает замыкать конденсаторы. Линейный стабилизатор DA1 обеспечивает питание большей части схемы стабилизированным напряжением значением 12 В. Микросхема DA2 на своем выходе формирует стабилизированные 5 В для микросхемы DA3, которая обеспечивает гальваническую развязку. Гальванически развязанная часть схемы содержит в себе микроконтроллер DD1, который генерирует импульсы и контролирует состояние лампы L1 - импульсного тиратрона. Кнопки SB1-SB4 необходимы для задания параметров режима обработки. Трехцветный светодиод HL1 сигнализирует о текущем состоянии установки: синий - фиксирует нагрев катода, продолжительность которого составляет, исходя из паспортных данных на тиратрон, 15 минут, и поэтому в это время невозможно начать генерацию импульсов; зеленый - оповещает, что генератор готов к работе, так как лампа нагрелась и разрешено включение генератора; красный - констатирует тот факт, что генератор работает, на лампу поступают управляющие (поджигающие) импульсы. Для визуализации информации используется двухстрочный LCD дисплей по 16 символов в каждой строке. Транзистор VT1, управляемый микроконтроллером, задает яркость подсветки дисплея. Вывод контроллера PB3 генерирует поджигающие импульсы длительностью 4 мкс, а вывод PB4 отвечает за подключение сетки тиратрона к цепи формирования высоковольтных поджигающих импульсов. Перед тем как начать генерацию импульсов микроконтроллер подает сигнал на оптопару DA4, в результате чего открывается транзистор VT4 и через обмотку реле К2 начинает протекать ток, после чего нормально разомкнутый контакт этого реле замыкается, тем самым подключая сетку лампы L1 к цепи генерации управляющих импульсов. Затем начинается процесс генерации управляющих импульсов, которые подаются на транзистор VT3 и через разделительный трансформатор ТV3 поступают на микросхему DD3, которая управляет полевым транзистором VT2. Транзистор VT2 увеличивает амплитуду управляющих импульсов до 200 В и через разделительный трансформатор ТV4 импульсы поступают во второй блок на сетку лампы L1.

Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема генератора импульсного напряжения, содержащая блоки управления, коммутации, высоковольтный и нагрузку

Блок коммутатора. В блоке коммутатора сетевое напряжение прикладывается на трансформатор TV5, где его значение понижается до 6,3 В и поступает на накал лампы L1. Для того чтобы предотвратить ложное срабатывание - открытие лампы L1, когда еще нет управляющих импульсов, сетка лампы присоединена к «земле» через резистор R19 и отключена от цепи формирования поджигающих импульсов в блоке управления. Конденсатор С15 необходим для того, чтобы на сетку лампы не было подано постоянное напряжение, которое не давало бы закрыться лампе. При поступлении управляющих импульсов от блока управления, которые проходят через конденсатор С15, и, попадая на сетку, открывают лампу L1, в результате чего емкостной накопитель С16 разряжается на нагрузку Rн создавая импульс с крутым фронтом и экспоненциальным срезом. Закрытие тиратрона возможно только при напряжении анода в 300 В.

Высоковольтный блок. Основная задача данного блока - зарядка накопительного конденсатора C16. Высоковольтный блок состоит из предохранителя FU2, лабораторного автотрансформатора VT6, повышающего трансформатора VT7 (трансформатор высоковольтный испытательный ТВИ 15/20), высоковольтного резистора R20 выпрямительного диода VD7 и накопительного конденсатора C16. При помощи лабораторного автотрансформатора изменяется напряжение на первичной обмотке повышающего трансформатора таким образом, что можно получить необходимое значение постоянного напряжения обработки после его выпрямления диодом VD7. Резистор R20 ограничивает ток заряда накопительного конденсатора C16.

Разработанный генератор собран, испытан и проверен в работе и показал высокую стабильность в составе экспериментальной установки по изучению процесса импульсного электроплазмолиза растительного сырья (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки по обработке импульсными высоковольтными воздействиями растительного сырья

Нагрузка. Нагрузкой Rн разработанного генератора в принципе может быть любой исследуемый объект, подвергаемый воздействиям импульсов высокого напряжения. В нашем же случае в качестве нагрузки используется рабочая экспериментальная ячейка, в которой размещается материал растительного происхождения для электроимпульсной обработки. Конструктивно ячейка представляет собой корпус из диэлектрического материала с двумя пластинчатыми электродами. Сами электроды изготовлены из нержавеющей стали таким образом, что нижний электрод неподвижно закреплен в корпусе, а верхний, подпружиненный, имеет возможность перемещаться по высоте ячейки, создавая фиксированное давление на обрабатываемую растительную массу.

Материалы и методы. Для проведения исследований по изучению процесса электроимпульсного плазмолиза и последующего за ним экстрагирования яблочного и тыквенного сока из исходного сырья собрана установка, представленная на рисунке 2. Принципиально установка включает в себя следующее оборудование: лабораторный автотрансформатор, цифровой мультиметр MTX 3282, высоковольтный конденсатор, камеру обработки, генератор импульсного высокого напряжения (рисунок 1), оборудование для анализа характеристик импульсов АСК-2034, цифровые весы, прецизионный LCR-метр LCR-820, а также персональный компьютер для сбора регистрируемых данных и их анализа.

В камере для обработки растительное сырье помещается между двумя электродами, верхний из которых создает необходимое усилие прижима. К контактным креплениям электродов подключается LCR-метр для измерения начального сопротивления обрабатываемого материала, отключаемый после измерения, а затем на электроды, через последовательную цепь: выход высоковольтного трансформатора - конденсатор - коммутатор - безиндуктивный высоковольтный резистивный делитель, подается импульсное высоковольтное воздействие. Блок управления коммутатором позволяет задавать необходимую частоту повторения импульсов и их количество. Значение напряжения заряда конденсатора устанавливается с помощью лабораторного автотрансформатора по показаниям цифрового мультиметра MTX, подключенного к резистивному делителю высоковольтного трансформатора. Осциллограф фиксировал изменение напряжения и тока с сохранением данных на персональном компьютере. После завершения процесса камера обработки отключалась от высоковольтной цепи и снова подключалась к LCR-метру для измерения изменившегося сопротивления, после чего к подвижному электроду прикладывалось фиксированное давление и происходил отжим сока из обработанного сырья в специальный сборный стакан. Масса выжатого сока фиксировалась с помощью цифровых весов.

Подготовка обрабатываемого материала к исследованиям заключалась в вырезании цилиндрической заготовки из целого яблока сорта «Гала» или куска тыквы сорта «Грибовская зимняя» с помощью специального приспособления. Затем цилиндрическая заготовка разрезалась на образцы длиной 5 мм, которые взвешивались и замерялись. При отсутствии отклонений от допустимых норм образец считается годным для проведения эксперимента.

Электрическая часть установки позволяет в зависимости от значения емкости установленного в выходной цепи конденсатора и напряжения обработки:

1) устанавливать частоту следования импульсов, верхняя граница значений которых зависит от предварительно введённых данных, а нижняя - составляет значение 1 Гц;

2) устанавливать счётчик количества импульсов, который при отработке предварительно заданного алгоритма управляет их генерированием;

3) генерировать высоковольтные импульсы с экспоненциальным срезом амплитудой - 13 кВ; длительностью - 65 мкс; временем нарастания фронта импульса - 300 нс; временем среза импульса - 63 мкс.

Конденсатор выходного каскада разряжается сначала быстро, а затем все медленнее и медленнее, при этом у импульса формируется крутой фронт и экспоненциальный срез. Энергия, запасенная в электрическом поле конденсатора, при разряде поглощается в обрабатываемом образце растительной ткани.

Во всех экспериментах установка была настроена на частоту 15 Гц, а количество импульсов задавалось счетчиком.

Результаты и обсуждение. Экспериментальные исследования проводились на яблоках сорта «Гала». Масса предварительно подготовленных образцов для электроимпульсной обработки составляла 7,03-7,10 г. Обработка проводилась при разных значениях прикладываемого напряжения и количестве воздействующих импульсов, что позволяло оценивать количество энергии поглощаемой растительной тканью плодов. После обработки к каждому образцу в емкости для отжима сока прикладывалось фиксированное давление значением 218,62 кПа и контролировался выход сока. Масса сока, полученного из образца без электроимпульсной обработки, составляла 0,22 г, а после электроимпульсных воздействий составляла от 0,69 до 6,24 г. Результаты экспериментальных исследований по выходу сока из обработанного сырья представлены в рисунке 3.

Рисунок 3 - Зависимости выхода сока (г), получаемого методом прессования из яблок сорта «Гала», от числа воздействующих импульсов (шт.), при различных значениях напряженности электрического поля (Е) в растительной ткани образцов

Образцы из тыквы сорта «Грибовская зимняя» также подвергались обработке при разных параметрах электроимпульсного воздействия (напряжение, количество воздействующих импульсов) для получения зависимости электрического сопротивления растительной массы от параметров электроимпульсного воздействия. Полученные результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 1. Начальное сопротивление образца растительной ткани из тыквы, то есть сопротивление образца, не подвергнутого электроимпульсной обработке, равнялось 524,56 Ом.

Таблица 1 - Изменение сопротивления обрабатываемого продукта (Ом) в зависимости от напряжения обработки и количества воздействующих импульсов

Параллельно с основными исследованиями изучались с использованием микроскопа «Микромед Р-1» необработанные и обработанные образцы из тыквенного сырья и состояние их клеточных структур. Поверхность образца тыквы была увеличена под микроскопом «Микромед Р-1» с кратностью 10х для более визуального анализа эффекта обработки. Как видно на рисунке 4а, клетки растительного образца до обработки имеют округлую форму и равномерный окрас, что указывает на тот факт, что в клетке поддерживается нормальное внутреннее, тургорное давление. На рисунке 4б показан образец тыквы после электроимпульсной обработки, на котором видно, как после электровоздействия клетки обрели угловатую форму, появились точечные скопления, что указывает на выход жидкости из внутриклеточных полостей, сопровождающийся уменьшением тургора и потерей клеткой первоначальной формы. Уменьшение объема клетки сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки, то есть наблюдается процесс плазмолиза.

Рисунок 4 - Образец тыквы (увеличение 10х): а) до обработки; б) после обработки

Заключение. Изучив процесс электроимпульсной обработки растительного сырья: яблок сорта «Гала» и тыквы сорта «Грибовская зимняя», можно говорить о наблюдаемой зависимости выхода сока и изменения сопротивления растительной ткани обрабатываемых объектов от параметров электроимпульсной обработки. Наиболее интенсивное соковыде- ление наблюдается в начальный период обработки, когда подводится число воздействующих высоковольтных импульсов до 100 штук, количество выделяемого сока увеличивается (если соотносить с количеством сока, полученного от необработанной массы яблок) при напряженности электрического поля в растительной ткани 5 кВ/см - в 9,7 раза, 10 кВ/см - в 15,6 раза, 15 кВ/см - в 16,7 раза, 20,0 кВ/см - в 15,3 раза. Если продолжать обработку и увеличивать количество поглощенной энергии (числа воздействующих импульсов), то повышение сокоотдачи будет меньше: при напряженности 5 кВ/см в 1,6 раза, 10 кВ/см - в 1,4 раза, 15 кВ/см - в 1,5 раза, 20,0 кВ/см - в 1,8 раза.

Подобная закономерность прослеживается и при изучении изменения сопротивления растительной ткани образцов тыквы, только в направлении уменьшения, что справедливо, так как при электрическом повреждении повышается проводимость растительных тканей. Продолжение исследований позволит более детально изучить влияние скорости ввода электрической энергии в растительные ткани сырья и поглощаемой ею энергии, а также градиента нарастания напряженности электрического поля на со- коотдачу исходного растительного материала и качество получаемого продукта

 

Библиографический список

1. Ботошан, Н.И. Физические основы электроплазмолиза [Текст] / Н.И. Ботошан, М.К. Болога, С.Е. Берзой // Электронная обработка материалов. - 2006. - № 3. - С. 172-181.
2. Коршунов Б.П. Энергосберегающие электротехнологии в сельском хозяйстве: анализ и перспективы [Текст] / Б.П. Коршунов // Вестник ВИЭСХ. - 2015. - №1 (18). - С. 12-17.
3. Попова, Н.А. Электроплазмолиз винограда с применением биполярных импульсов [Текст] / Н.А. Попова, А.Я. Папченко, М.К. Болога // Электронная обработка материалов. - 2014. - №50(6). - С. 83-91.
4. Электроплазмолиз в технологии переработки красных сортов винограда [Текст] / А.Я. Папченко, Н.А. Попова, В.Г. Чобану, М.К. Болога // Электронная обработка материалов. - 2010. - № 2. - С. 80-82.
5. Юдаев, И.В. Электроимпульсный плазмолиз растительного сырья как способ подготовки сырья к экстрагированию [Текст] / И.В. Юдаев, Р.Г. Кокурин // Сельский механизатор. - 2017. - №9. - С. 28-31.
6. Angersbach, A. Effects of pulsed electric fields on cell membranes in real food systems [Текст] / A. Angersbach, V. Heinz, D. Knorr // Innovative Food Science & Emerging Technologies. - 2000. - №1. - P.135-149.
7. Barsotti, L. Food process sing by pulsed electric fields. II. Biological aspects [Текст] / L. Barsotti, J.C. Cheftel // Food Review International. - 1999 - №15(2). - P. 181-213.
8. Bouzrara, H. Beet juice extraction by pressing and pulsed electric fields [Текст] / H. Bouz- rara, E. Vorobiev // International Sugar Journal. - 2000. - №102(1216). - P. 194-200.
9. Eshtiaghi, M.N. High electric field pulse treatment: potential for sugar beet processing [Текст] / M.N. Eshtiaghi, D. Knorr // Journal of Food Engineering. - 2002. - №53(2). - P. 265-272.
10. Flavour retention and related enzyme activities during storage of strawberry juices processed by high-intensity pulsed electric fields or heat [Текст] / I. Aguilo-Aguayo, G. Oms-oliu, R. Soliva-fortuny, O. Martin-Belloso // Food Chemistry. - 2009. - №116(1). - P. 59-65.
11. Fincan, M. Pulsed electric field treatment for solid-liquid extraction of red beetroot pigment [Текст] / M. Fincan, F. DeVito, P. Dejmek // Journal of Food Engineering. - 2004. - №64. - P. 381-388.
12. Food application of high electric field pulses [Текст] / D. Knorr, M. Geulen, T. Grahl, W. Sitzmann // Trends Food Science & Technology. - 1994. - №5. - P. 71-75.
13. Jeyamkondan, S. Pulsed electric field processing of foods: A review [Текст] / S. Jeyam- kondan, DS. Jayas, R.A. Holley // J. of Food Protection. - 1999. - № 62(9). - P. 1088-1096.
14. Rastogi, N.K. Accelerated mass transfer during osmotic dehydration of high intensity electrical field pulse pretreated carrots [Текст] / N.K. Rastogi, M.N. Eshtiaghi, D. Knor // Journal of Food Science. - 1999. - № 64(6). - P. 1020-1023.
15. Use of pulsed electric field treatment to improve dehydration characteristics of plant based foods [Текст] / B.I.O. Ade-Omowaye, A. Angersbach, K.A. Taiwo, D. Knorr // Trends Food Science & Technology. - 2001. - № 12. - P. 285-295.
16. Toepfl, S. Overview of pulsed electric field processing for food [Текст] / Toepfl S., Heinz V., D. Knorr // In: Emerging Technologies for Food Processing (D.W. Sun, ed.), Oxford, U.K.: Elsevier, 2005. - P. 67-97.
17. Yeom, H.W. Inactivation of pectin methyl esterase in orange juice by pulsed electric fields [Текст] / H.W. Yeom, G.W. Chism, Q.H. Zhang // Food Engineering and Physical Properties. - 2002.
- 67(6). - P. 2154-2159.
18. Zhang, Q. Food preservation technology series: Pulsed electric field in food processing - Fundamental aspects and applications [Текст] / Q. Zhang, G.V. Barbosa-Carnovas. - Lancaster: Technomic publishing company book, 2001. - 265 p.

Источник: "Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса" № 2 (50), 2018


Категория: Естественные науки | Добавил: x5443 (13.05.2019)
Просмотров: 10 | Теги: растительное сырье | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2019 Обратная связь