Использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока

Рассматривается использование эффектов гидродинамической кавитации, возникающих в центробежных насосах, для разрушения бактериальных клеток с целью стерилизации молока. Розглянуто застосування гідродинамічної кавітації, що створюється у відцентрових насосах для руйнування бактеріальних клітин з мето...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Промышленная теплотехника
Datum:	2012
Hauptverfasser:	Иваницкий, Г.К., Шурчкова, Ю.А., Недбайло, А.Е.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2012
Schlagworte:	Тепло- и массообменные аппараты
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59173
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока / Г.К. Иваницкий, Ю.А. Шурчкова, А.Е. Недбайло // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 3. — С. 31-39. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-59173
record_format	dspace
spelling	Иваницкий, Г.К. Шурчкова, Ю.А. Недбайло, А.Е. 2014-04-06T19:10:09Z 2014-04-06T19:10:09Z 2012 Использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока / Г.К. Иваницкий, Ю.А. Шурчкова, А.Е. Недбайло // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 3. — С. 31-39. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59173 532.528:: 536.423 Рассматривается использование эффектов гидродинамической кавитации, возникающих в центробежных насосах, для разрушения бактериальных клеток с целью стерилизации молока. Розглянуто застосування гідродинамічної кавітації, що створюється у відцентрових насосах для руйнування бактеріальних клітин з метою стерилізації молока. Application of hydrodynamic cavitation effects, created by centrifugal pump impeller, for disintegration of bacterial cells with regard to disinfection of whole milk is considered in the paper. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные аппараты Использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока Application of hydrodynamic cavitation for microbial cells disruption in milk processing technologies Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока
spellingShingle	Использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока Иваницкий, Г.К. Шурчкова, Ю.А. Недбайло, А.Е. Тепло- и массообменные аппараты
title_short	Использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока
title_full	Использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока
title_fullStr	Использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока
title_full_unstemmed	Использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока
title_sort	использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока
author	Иваницкий, Г.К. Шурчкова, Ю.А. Недбайло, А.Е.
author_facet	Иваницкий, Г.К. Шурчкова, Ю.А. Недбайло, А.Е.
topic	Тепло- и массообменные аппараты
topic_facet	Тепло- и массообменные аппараты
publishDate	2012
language	Russian
container_title	Промышленная теплотехника
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
format	Article
title_alt	Application of hydrodynamic cavitation for microbial cells disruption in milk processing technologies
description	Рассматривается использование эффектов гидродинамической кавитации, возникающих в центробежных насосах, для разрушения бактериальных клеток с целью стерилизации молока. Розглянуто застосування гідродинамічної кавітації, що створюється у відцентрових насосах для руйнування бактеріальних клітин з метою стерилізації молока. Application of hydrodynamic cavitation effects, created by centrifugal pump impeller, for disintegration of bacterial cells with regard to disinfection of whole milk is considered in the paper.
issn	0204-3602
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59173
citation_txt	Использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока / Г.К. Иваницкий, Ю.А. Шурчкова, А.Е. Недбайло // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 3. — С. 31-39. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT ivanickiigk ispolʹzovaniegidrodinamičeskoikavitaciidlârazrušeniâbakterialʹnyhkletokvtehnologiiobrabotkimoloka AT šurčkovaûa ispolʹzovaniegidrodinamičeskoikavitaciidlârazrušeniâbakterialʹnyhkletokvtehnologiiobrabotkimoloka AT nedbailoae ispolʹzovaniegidrodinamičeskoikavitaciidlârazrušeniâbakterialʹnyhkletokvtehnologiiobrabotkimoloka AT ivanickiigk applicationofhydrodynamiccavitationformicrobialcellsdisruptioninmilkprocessingtechnologies AT šurčkovaûa applicationofhydrodynamiccavitationformicrobialcellsdisruptioninmilkprocessingtechnologies AT nedbailoae applicationofhydrodynamiccavitationformicrobialcellsdisruptioninmilkprocessingtechnologies
first_indexed	2025-11-25T23:07:15Z
last_indexed	2025-11-25T23:07:15Z
_version_	1850577661155344384
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №3 31 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ УДК 532.528:: 536.423 Иваницкий Г.К., Шурчкова Ю.А., Недбайло А.Е. Институт технической теплофизики НАН Украины ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ БАКТЕРИАЛЬНЫХ КЛЕТОК В ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МОЛОКА Розглянуто застосування гід- родинамічної кавітації, що ство- рюється у відцентрових насосах для руйнування бактеріальних клітин з метою стерилізації моло- ка. Експериментально досліджено дію кавітаційних ефектів при різних температурах на пригні- чення мікрофлори молока. Аналіз результатів експерименту прове- дено в рамках математичної мо- делі, яка дозволяє кількісно роз- рахувати ступінь динамічного впливу на клітинні структури та- ких потужних кавітаційних меха- нізмів, як ударні імпульси ти- ску та зсувні напруження, що ініціюються в процесі еволюції кавітаційного кластера. Встанов- лено, що величина динамічних імпульсів, необхідних для руй- нування бактеріальної клітки, за- лежить від радіуса та товщини клітинної стінки, а також від границі міцності структури стінки на розрив. Рассматривается использова- ние эффектов гидродинамической кавитации, возникающих в цен- тробежных насосах, для разруше- ния бактериальных клеток с целью стерилизации молока. В экспери- менте при разных температурах ис- следовалось влияние кавитации на инактивацию микрофлоры молока. Анализ эксперимента проводился с использованием математической модели, позволяющей количествен- но оценить уровень воздействия на клеточные структуры бактерий таких действенных механизмов ка- витации, как ударные волны и сдви- говые напряжения, инициируемые в процессе развития кавитационного кластера. Установлено, что величи- на импульсов давления, необходи- мых для разрушения бактериальной клетки, зависит от радиуса и тол- щины клеточной стенки, а также от предела прочности структуры стен- ки на разрыв. Application of hydrodynamic cavitation effects, created by centrifugal pump impeller, for disintegration of bacterial cells with regard to disinfection of whole milk is considered in the paper. The experiments were carried out at different temperatures to measure the extent of microbial inactivity in milk under dynamical cavitation action in the pumps. The experimental results were compared with modeling of cavitation mechanisms that includes both the shock wave pulses, radiated by the cavity cluster, and shear stresses in micro-flows, generated by individual growing or collapsing bubbles. The value of cavitation dynamical pulses necessary for bacterial cell disruption has been estimated to depend on radius and thickness of cell wall as well on the wall tensile strength. h – толщина клеточной стенки; P – давление; T – температура; R – радиус клеточной стенки; π – осмотическое давление; σ – динамическое натяжение; СКФ – сверхкритический флюид. Индексы: c – клетка; cr – критический; sat – насыщенный; SCF – в состоянии СКФ; ν – пар. Введение Кавитационные методы интенсификации технологических процессов применяются в различных производствах, связанных с обра- боткой жидких продуктов. В последние годы кавитация используется для управления кине- тикой протекания химических, биохимических и биологических процессов в технологических средах [1-4]. Наномасштабные кавитационные эффекты позволяют направленно влиять на фи- зико-химические свойства вещества [4], раз- рушать макромолекулы и супрамолекулярные структуры [2-4], инактивировать бактериаль- ные клетки [5-9]. Кавитация находит широкое применение в промышленных технологиях об- работки пищевых продуктов [3,10]. При инициировании кавитации реализуют- ся основные принципы дискретно-импульсного ввода энергии (ДИВЭ) – временная и простран- ственная дискретизация вводимой энергии, и ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №332 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ концентрация ее в локальных точках жидкой среды в форме мощных энергетических им- пульсов. Это дает основание рассматривать ка- витацию как один из наиболее жестких и дей- ственных механизмов ДИВЭ [11,12]. При использовании кавитационных техно- логий в масштабах производства гидродина- мическая кавитация обладает несомненным преимуществом по сравнению с акустической, поскольку обеспечивает более высокую произ- водительность при существенно меньших энер- гозатратах [3,10]. Кавитационная обработка жидких продуктов осуществляется с исполь- зованием традиционных гидродинамических устройств, таких как профилированные сопла [2,8,9], пропеллерные или турбинные мешалки [2], клапанные гомогенизаторы [7,8], насосы [2,9], роторные аппараты [1,3,10]. В работе [9] показано, что при однократном прохождении через центробежный насос водной суспензии зоопланктона при нормальной температуре ре- гистрируется гибель до 30 % микроорганизмов. Данное исследование проводилось в связи с обоснованием возможности использования эффектов кавитации, возникающих в рабочем колесе центробежных насосов, с целью гидро- механического или/и термического воздействия на обрабатываемую жидкую среду. В ИТТФ НАН Украины разработана тех- нология термовакуумной обработки (ТВО) биологически активных жидких продуктов с целью повышения их качественных показате- лей. Использование этой технологии в молоч- ной промышленности обеспечивает улучшение таких показателей молока, как кислотность, термоустойчивость и стерильность. [13,14]. Эффективность технологии ТВО обусловлена инициированием в аппарате различных меха- низмов ДИВЭ, в том числе механизмов взрыв- ного вскипания и кавитации. В данной техно- логии кавитационные эффекты реализуются в рабочем колесе центробежных насосов, кото- рые в качестве продуктовых насосов исполь- зуются для перекачивания жидкого продукта, и по условиям технологии номинально работа- ют в кавитационном режиме. В процессе ТВО молоко последовательно подвергается двукрат- ному кавитационному воздействию. Первая стадия кавитационной обработки происходит в насосе, который работает в интервале темпера- тур 50…60 °С. После выхода из насоса молоко проходит термическую обработку в пастери- заторе (Tmax = 80…95 °С). Вторая стадия кави- тационной обработки осуществляется перед выходом из аппарата в центробежном насосе, работающем в интервале температур 25…30 °С. Уровень кавитационного воздействия в каждом из насосов, как показано ниже, зависит от тем- пературного режима обработки. Следовательно, в технологии ТВО центро- бежные насосы, предназначенные для пере- качивания больших объемов обрабатываемой жидкости, выполняют также функцию кавити- рующего устройства. В работе [15] представ- лены результаты аналитического исследования кавитации в центробежных насосах, исполь- зуемых в технологии ТВО, и проведены рас- четы интенсивности динамических эффектов кавитации в зависимости от режимов обра- ботки. Целью данного исследования является выяснение степени вклада и роли механизмов гидродинамической кавитации, инициируемых в центробежных насосах аппарата ТВО, в де- зинтеграцию бактериальных клеток и в пода- вление активности присутствующих в молоке микроорганизмов в процессе термовакуумной обработки. Динамические и термические эффекты кавитации Кавитацией называется совокупность явле- ний, возникающих в жидкости, когда давление pl в локальном объеме с температурой Tl ста- новится ниже давления насыщения psat(Tl), а затем резко возрастает до значений pl > psat(Tl). На первой стадии процесса формируются и растут паровые пузырьки, образующие в со- вокупности кавитационный кластер. На вто- рой стадии (pl > psat(Tl)) пузырьки интенсивно сжимаются и затем схлопываются, инициируя динамические и термические кавитационные эффекты. В [11,12] в рамках теоретических положений ДИВЭ рассматривается эволюция ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №3 33 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ пузырьков кавитационного кластера с учетом межфазного теплообмена и кинетики фазовых переходов. На стадии сжатия пузырьков, когда кине- тическая энергия радиального движения жид- кости трансформируется в потенциальную энергию сжатого пара и сжатой жидкости, в окрестности пузырька реализуется эффект ги- дравлического удара. Температура и давление пара в предельно сжатом пузырьке и в при- легающем к нему слое жидкости достигают аномально высоких значений (Tl = Tν > 5000 К, pl = pν > 100 МПа) [4,11], которые намного пре- вышают критические значения (Tl,ν >> Tcr и pl,ν >> pcr). После перехода в закритическую об- ласть межфазная граница между пузырьком и жидкостью исчезает. На месте пузырька обра- зуется квазисферическая горячая зона, в пре- делах которой жидкость в течение короткого времени находится в состоянии сверхкрити- ческого флюида (СКФ) [4,11]. В центре зоны СКФ температура TSCF max >> Tcr, а на внешней границе TSCF min >> Tcr. Величины TSCF и pSCF определяются теплопередачей от пара к жид- кости, выделением теплоты конденсации и на- гревом жидкости в процессе ударного сжатия. В состоянии СКФ вода обладает уникальной способностью растворять почти все органи- ческие вещества, которые в конденсированной воде практически нерастворимы [16]. В этом состоянии электропроводность воды и степень ионизации ее молекул возрастают на 5…8 по- рядков. Время пребывании воды в состоянии СКФ порядка 10 нс, но это достаточно большой интервал, если учесть, что характерные време- на протекания химических и биохимических процессов и разрушения молекулярных струк- тур измеряются в масштабе пикосекунд. Динамическое действие кавитации обус- ловлено следующими факторами. 1. В процессе роста и сжатия пузырьков, благодаря суперпозиции радиальных потоков к каждому пузырьку, внутри кластера формиру- ются сложные нестационарные микротечения с чрезвычайно высокими значениями скорос- тей сдвига и сдвиговых напряжений, действие которых проявляются в течение всего время существования кластера. 2. При схлопывании каждый пузырек кла- стера является центром сферической ударной волны с амплитудой давления, превышающей 100 МПа [4,10,11]. Нестационарные поля ско- ростей и давлений в жидкости внутри класте- ра носят чрезвычайно сложный характер. 3. В процессе сжатия пузырьков средне- объемное давление внутри кластера быстро возрастает и на завершающей стадии может превысить 10 МПа. При одновременном схло- пывании пузырьков давление в объеме класте- ра резко падает и в окружающую среду излу- чается высокоамплитудный результирующий импульс. Влияние кавитации на микрофлору молока Методы гидродинамической кавитации ус- пешно применяются для бактериальной са- нации жидких сред [2,3,8,10], в том числе для уничтожения вредной микрофлоры в молоке и в молочных продуктах в процессе обработки. Содержимое бактериальной клетки – ци- топлазма, которая представляет коллоидный раствор аминокислот, ферментов, углеводов, солей и др., отделена от окружающей жид- кости тонкой (8…10 нм) полупроницаемой плазматической мембраной с диаметром пор (ионных каналов) 0,4...0,5 нм. Внутренняя по- верхность мембраны подвергается действию осмотического давления цитоплазмы (0,3… 1,0 МПа). Растягиванию и разрыву мембраны под действием осмотического давления пре- пятствует окружающий ее прочный каркас – тонкая клеточная стенка с крупными пора- ми (4…5 нм), проницаемая для воды, солей и низкомолекулярных соединений. Предел проч- ности клеточных стенок микроорганизмов до- стигает 100 МПа, что сравнимо с пределом прочности некоторых сортов стали [6,7]. Роль механизмов кавитации в инактива- ции бактериальных клеток далеко не изучена. Гибель микроорганизмов связывается с гидро- механическими, термическими, химическими, электрическими эффектами кавитации или с со- вокупным действием этих факторов [2,5-9,17]. ~ ~ ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №334 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ По данным электронной микроскопии [2,5,17], дезинтеграция клетки обусловлена разруше- нием ее клеточной стенки. Содержащиеся в молоке микроорганизмы представлены грамотрицательными бактери- ями – палочками и грамположительными бак- териями – палочками и сферическими кокка- ми. Последние обладают большей толщиной и прочностью стенки по сравнению с грамот- рицательными, и для их разрушения необходим более высокий уровень воздействия. Нами проведены экспериментальные ис- следования степени инактивации ряда содер- жащихся в молоке бактерий, а также изменение общей бактериальной обсемененности (ОБС) молока при обработке в аппарате ТВО. Харак- теристики исследуемых микроорганизмов со- держатся в табл. 1. По стандартной методике определялось количество жизнеспособных бактерий (в еди- ницах КОЕ/мл) в исходном молоке (Tl = 4 °С) и в трех пробах: 1) после прохождения че- рез центробежный насос (Tl = 50…60 °С) пе- ред пастеризацией; 2) на выходе из пастериза- тора (Tl = 95 °С); 3) после прохождения через центробежный насос на выходе из аппарата при Tl = 30 °С. Результаты исследования пред- ставлены в табл. 2 и на рис.1. После нагревания молока от 4 °С до 50… 60 °С и кавитационной обработки в первом насосе общая бактериальная обсемененность уменьшается более чем на два порядка. После термообработки в пастеризаторе при Tl = 95 °С этот показатель снижается еще более чем на порядок. После прохождения зоны адиабатно- го вскипания и последующей кавитационной обработки во втором насосе при Tl = 30 °С об- семененность уменьшается почти на порядок. Количество бактерий S.aureus и Е.colі сни- жается до нуля уже на первых этапах обра- ботки, так как они характеризуются низкой прочностью стенки. В пробах, взятых на вы- ходе из аппарата, практически отсутствуют вы- жившие клетки грамположительной палочки Lactobacillus, тогда как их содержание в про- бах, взятых после пастеризатора еще довольно велико. После обработки в заметном количес- тве остаются лишь активные клетки L.lactіs, обладающие более прочной клеточной стенкой. Выжившие бактерии этого класса определяют, Табл. 1. Характеристика исследуемых микроорганизмов Бактерии Характеристика Форма Rc, мкм hc, нм σcr, МПа pcr, МПа S. aureus грамположит., сфера 0,6 36 10 1,20 L.lactis грамположит., сфера 0,6 40 20 2,67 Lactobacillus грамположит., палочка 0,4 35 20 1,75 Е.coli грамотрицат., палочка 0,3 12 3 0,80 Табл. 2. Количество микроорганизмов в молоке на различных этапах ТВО Микроорганизм Количество микроорганизмов в молоке на этапе ТВО, КОЕ/мл исходное молоко кавитация при Tl = 30 °C пастеризация при Tl = 95 °C адиабатное вскипание, кавитация при Tl = 30 °C ОБС молока 106,9 104,4 103,0 102,4 S. aureus 102,8 0 0 0 L.lactis 105,7 104,1 102,7 102,2 Lactobacillus 105,8 104,0 102,6 0 Е.coli 104,8 104,1 0 0 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №3 35 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ в основном, уровень остаточной обсеменен- ности молока. Эксперимент показал, что подавление микрофлоры молока, наряду с влиянием эф- фектов кавитации, обусловлено также терми- ческим воздействием на продукт в начальной стадии обработки и в пастеризаторе. Вместе с тем, заметный вклад в инактивацию микро- организмов вносит кавитация, создаваемая в центробежных насосах. Большинство иссле- дователей склоняются к мнению, что роль ка- витации в разрушении бактериальных клеток заключается в действии ударного и сдвигового механизмов на завершающей стадии сжатия кавитационного кластера [1,6-10]. Однако де- тализация этих механизмов на микроуровне и количественный расчет силового действия ка- витации на клетки не проводились. В рамках этих механизмов нами выполнен анализ ре- зультатов проведенного эксперимента по инак- тивации микрофлоры молока. Количественные расчеты выполнены с использованием модели динамики кавитационного кластера [11,12]. Действие ударных импульсов. Будем по- лагать, что гибель микроорганизмов связана с разрушением клеточной стенки бактерии вслед- ствие ударного динамического воздействия импульсов давления, излучаемых кавитацион- ным кластером. Рассмотрим бактериальную клетку в форме сферы или цилиндрической палочки, находящуюся в равновесии с жидкой средой с давлением pl0 = 0,1 МПа. На внутрен- нюю поверхность клеточной стенки с толщи- ной hc через прилегающую к ней эластичную полупроницаемую плазматическую мембрану действует осмотическое давление содержимо- го клетки π >> pl0, вследствие чего в структуре стенки возникают растягивающие напряжения σ. Величины тангенциального σt и нормально- го σn напряжения в клеточной стенке бакте- рии-палочки оцениваются, соответственно, по формулам [6,18]: σt = pc Rc/hc и σn = pc Rc/2hc, (1) а нормальное напряжение в стенке бактерии- кокки в форме сферы – по формуле: σn = pc Rc/2hc. (2) Параметр Rc в формуле (1) – радиус ци- линдрической части бактерии-палочки, а в (2) – радиус сферы. Параметр pc – давление, действующее на внутреннюю поверхность стенки. Если pc >> π, величина растягиваю- щих напряжений может превысить предел прочности структуры стенки, что приводит к ее разрушению. Данные о размере клеток Rc и толщине клеточных стенок hc, а также о вели- чинах предельной прочности σcr многих клас- сов бактерий содержатся в [7,8]. Для исследу- емых нами микроорганизмов соответствую- щие параметры приведены в табл. 1. В послед- нем столбце представлены рассчитанные по формулам (1) и (2) значения давлений p = pcr, которые обеспечивают превышение пределов прочности и разрыв клетки. Увеличение давления в окружающей жид- кости (pl >> pl0) снижает давление на внут- реннюю поверхность клеточной стенки, что Рис. 1. Изменение общей бактериальной обсемененности и количества выживших бактериальных клеток исследуемых микроорганизмов на различных этапах термовакуумной обработки молока. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №336 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ приводит к ослаблению действующих в ней напряжений. При pl > π напряжение в клетке σ → 0. Под действием кавитационного им- пульса с амплитудой pl max избыточное давле- ние на внешнюю поверхность плазматичес- кой мембраны резко возрастает до величины ∆p = pl max – π, что ведет к сжатию цитоплазмы. Как следствие, потенциальная энергия сжатой цитоплазмы возрастает, и после резкого сбро- са внешнего давления трансформируется в кинетическую энергию возвратного движения плазматической мембраны, а затем реализует- ся в форме ударного действия на внутренную поверхность клеточной стенки. Если амплиту- да импульса давления pl max > pcr, ударное воз- действие может привести к разрушению стен- ки и к гибели клетки. На рис. 2 для разных значений темпера- туры жидкости Тl показаны рассчитанные в рамках модели [11] по данным работы [15] импульсы давления, излучаемые кавитацион- ным кластером в рабочем колесе насоса в мо- мент схлопывания пузырьков. При повыше- нии температуры жидкости от 20 до 60 °С амплитуда импульсов pl max понижается от 2,3 МПа до 1,2 МПа. Сравнение рассчитан- ных амплитуд импульсов давления pl max, пе- риодически возникающих в рабочем колесе насоса, с величинами pcr, содержащимися в последнем столбце табл. 1, подтверждают пра- вомерность рассмотренного механизма ударно- го действия. Величина импульсов давления не- достаточна для разрушения прочной клеточной стенки бактерий L.lactis, что согласуется с ре- зультатами эксперимента. Вместе с тем, полу- ченные результаты показывают, что наблюда- емое в эксперименте интенсивное подавление жизнедеятельности бактерий Lactobacillus на завершающей стадии обработки при Тl = 30 °С, можно объяснить действием кавитации во вто- ром насосе, когда реализуется условие pl max = pcr. Очевидно, что инактивация клеток под действие импульсов давления объясняется и другими причинами кроме механического раз- рушения клеточной стенки. Взаимодействие ударного импульса с клеткой может искажать молекулярную структуру стенки, отвечающую за ее нормальное функционирование, в част- ности, влиять на стабильность капсул, липо- полисахаридного и протеинового слоев на внешней поверхности клеточной стенки. Рас- смотрение этих факторов ударного воздей- ствия выходит за рамки данного исследования. Действие сдвиговых напряжений. Дру- гим возможным механизмом динамического влияния кавитации на бактериальный клетки является действие сдвиговых напряжений как результат суперпозиции радиальных течений, возникающих в окрестности пузырьков в про- цессе их роста и сжатия. Даже на этапе моно- тонного расширения кластера, когда скорость роста пузырьков не превышает 2 м/с, скорос- ти сдвига в локальных зонах жидкости в силу микромасштабности процесса достигают ве- личин 5·104 с-1 и при этом охватывают область протяженностью в десятки микрометров вбли- зи растущего пузырька. В работе [11] приведена система уравне- ний модели динамики ансамбля паровых пу- зырьков, позволяющая рассчитать мгновен- Рис. 2. Изменение во времени давления в объеме кавитационного кластера при различных значениях температуры жидкости Тl: 1 – 20°С; 2 – 30°С; 3 – 40°С; 4 – 50°С; 5 – 60°С. Высокоамплитудные импульсы соответствуют моменту схлопывания пузырьков кластера. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №3 37 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ные значения давления и вектора скорости в локальных точках внутри 3D кавитационно- го кластера на всех стадиях его эволюции. С помощью модели можно оценить уровень сдвиговых напряжений при различных усло- виях образования и развития кластера. На рис. 3, а, представлены расчетные данные по изменению величины скорости в плоскости XY, проходящей через центр кластера, в на- правлении Х на участке длиной 0,3 мм для восьми последовательных значений коорди- наты Y с интервалом 10 мкм. На рис. 3, б для того же момента времени показано измене- ние направления вектора скорости в тех же локальных точках. Представленные данные указывают на сильную завихренность микро- течений внутри кластера. Расчеты показывают, что скорости сдвига в локальных точках кластера на границах взаимодействия микропотоков составляют 105…106 с-1, что сравнимо со значениями этого параметра, достигаемых в роторных аппара- тах и в клапанных гомогенизаторах. Приме- нительно к маловязким жидкостям (вода, мо- локо) это соответствует величинам сдвиго- вых напряжений порядка 0,001…0,1 МПа. По мнению многих исследователей, сдвиго- вые напряжения такого уровня способны раз- рушить клеточные стенки даже грамположи- тельных бактерий [7,8,10]. Полученные нами результаты согласуются с результатами иссле- дования других авторов. В работе [7] отмеча- ется, что значения скоростей сдвига, необхо- димых для разрушения клеток грамположи- тельных бактерий в форме сферы, лежат в интервале 3∙106…9∙107 с-1, а для разрушения грамположительных бактерий в форме палоч- ки – в интервале 2∙104…7∙106 с-1. Для разруше- ния грамотрицательных палочек достаточны сдвиговые скорости порядка 5∙103…7∙105 с-1. Рис. 3. а) Изменение величины вектора скорости вдоль направления Х в 3D кавитационном кластере для восьми последовательных значений координаты Y с интервалом 10 мкм. б) Изменение направления вектора скорости в том же направлении Х для тех же значений координаты Y. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №338 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Следовательно, рассчитанные нами значения скоростей сдвига способны разрушить клеточ- ные стенки исследуемых в работе микроор- ганизмов, что подтверждает правомочность предположения о влиянии сдвигового меха- низма на дезинтеграцию бактериальных кле- ток молока. Заключение Результаты экспериментального и анали- тического исследования показали, что эффек- ты кавитации, создаваемые в центробежных насосах, вносят заметный вклад в инактивацию микрофлоры молока в процессе его термова- куумной обработки. Очевидно, что подавле- ние жизнедеятельности микроорганизмов в технологии ТВО обусловлено совместным влиянием различных факторов. В первом на- сосе кавитационной обработке подвергается уже нагретое молоко, что снижает активность содержащихся бактерий еще перед входом в насос. На входе пастеризатора большинство бактериальных клеток молока инактивировано после первой кавитационной обработки. За- вершающей кавитационной обработке во вто- ром насосе подвергаются микроорганизмы, выжившие после прохождения этапа пастери- зации. В результате совместной термической и гидромеханической обработки обсемененность молока на выходе из аппарата ТВО снижает- ся до уровня, соответствующего стандартам для пастеризованного молока. Существенный вклад кавитации в подавление нежелательной микрофлоры молока позволяет снижать тем- пературу пастеризации. Уменьшение чрезмер- ного термического воздействия на термола- бильный продукт способствует повышению его качественных показателей. ЛИТЕРАТУРА 1. Промтов М.А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсифи- кации химико-технологических процессов // Вестник ТГТУ. – 2008. – Т. 14, № 4.– С. 861–869. 2. Вітенько Т. М. Гідродинамічна кавітація у масообмінних, хімічних і біологічних проце- сах. – Тернопіль: ТДТУ, 2009. – 224 с. 3. Gogate P.R., Pandit А.В. А review and assessment of hydrodynamic cavitation as а technology for the future. // Ultrason. Sonochem. 2005. – Vol. 12, P. 21–27. 4. Suslick К.S., Millan М.М., Reis J.Т. Chemistry induced by hydrodynamic cavitation // Journ. Amer. Chem.Soc. – 1997. – Vol. 119, № 3. – Р. 9303 – 9306. 5. Marc D., Wenger A., DePhillips P., Bracewell D.G. Microscale Yeast Cell Disruption Technique for Integrated Process Development Strategies. // Biotechnol. Prog.– 2008. – № 24. – P. 606 – 614. 6. Caprita N.C. Tensile Strength of Cell Walls of Living Cells // Plant Physiol. – 1985. –Vol. 79, P. 485 – 488. 7. Фихте Б.А., Гурвич Г.А. Введение в балли- стическую дезинтеграцию микроорганизмов. – Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1982. – 123 с. 8. Chisti Yu., Moo-young M. Disruption of microbial cells for intracellular products. Review //Enzyme Microbiol. Techn. //1986. – Vol. 8, April. – P. 194 – 204. 9. Savant S.S., Anil A.Ch., Krishnamurthy V., Gaonkar Ch. et al. Effect of hydrodynamic cavitation on zooplankton: a tool for disinfection //Biochem. Eng. Sci. – 2008. – Vol. 2, № 3.– P. 320– 328. 10 Ashokkumar M, Rink R., Shestakov S. Hydrodynamic cavitation – an alternative to ultrasonic food processing. // Electronic Journal “Technical Acoustics” http://ejta.org, 2011. – № 9. – P. 1 – 10. 11. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Тепло- массообмен и гидродинамика в парожидкост- ных дисперсных средах. – Киев: Наук. думка, 2008. – 381 с. 12. Иваницкий Г.К. Численное моделирова- ние поведения пузырькового кластера в про- цессах гидродинамической кавитации //Совре- менная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2011. – № 2 (7), С. 52 – 58. 13. Шурчкова Ю.А. Адиабатное вскипание. – К.: Наук.думка, 1999. – 278 с. 4. Долинский A.A., Шурчкова Ю.А. Новая технология управления качеством молока // Молочная промышленность. – 2005. № 6. – С. 14.–16. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №3 39 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 15. Иваницкий Г.К., Недбайло А.Е. Аналити- ческое исследование кавитации в рабочем ко- лесе центробежных насосов // Пром. теплотех- ника. – 2012. – Т. 34, № 2. – С. 40 – 47. 16. Артеменко С.В., Крийгсман П., Мазур В. Термодинамическое поведение экологически опасных веществ в сверхкритичеких природ- ных флюидах // Восточно-европейский журнал передовых технологий. – 2009. – Т. 42, № 6/5. – С. 34 – 40. 17. Laroussi M., Mendis D.A., Rosenberg M. Plasma interaction with microbes //New Journal of Physics. – 2003. – № 5. – P. 1 – 10. 18. Ильгамов М.А., Иванов В.А., Гулин Б.В. Прочность, устойчивость и динамика оболочек с упругим заполнителем. – М.: Наука, 1977. – 184 c. Получено 23.04.2012 г. УДК 544.723 Бирюков А.Б.1, Новикова Е.В.1, Гнитиев П.А.1, Манойлов Д.В.1, Недбайло А.Н.2 1 Донецкий национальный технический университет 2 Институт технической теплофизики НАН Украины ДИАГНОСТИКА ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ РЕАКТОРА СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОГРАНИЧЕННОГО ЧИСЛА ДАТЧИКОВ Запропоновано алгоритм ро- боти експертної системи для аналізу теплової роботи реакторів піролітичного синтезу ВНМ, що заснована на побудові моменталь- них теплових балансів, яка не має в своєму складі газоаналізатора для визначення вмісту компонен- тів в газоподібному середовищі, що покидає реактор. Предложен алгоритм работы экспертной системы для анализа тепловой работы реакторов пироли- тического синтеза УНМ, основан- ной на построении моментальных тепловых балансов, не имеющей в своем составе газоанализатора для определения содержания компонен- тов в газообразной среде, покидаю- щей реактор. Working algorithm of expert system for carbon nanotubes pyrolitic synthesis reactors thermal work analysis basing on momentous heat balances constructing which has no gas analyzer for determining components content in gas flux living reactor in gauges set is proposed. с – теплоемкость газообразной среды; Q – статья теплового баланса; t – температура газообразной среды; V – расход газообразного потока (н.ф.у.); Г – условное обозначение инертного газа; γ – доля инертного газа в составе исходной смеси газов для подачи в реактор; τ – время; χ – доля прореагировавшего углеводорода. Индексы верхние: эл. нагр. – электрический нагреватель; пот. реак. – тепловые потери реактора; энд. – указатель эндотермического эффекта; Σ – указатель того, что берется интегральное значение величины за некоторый период времени. Индексы нижние: исх. угл. – исходный углеводород; газ. прод. – газообразные продукты, покидаю- щие реактор; пр. – указатель принадлежности к приходной статье теплового баланса; расх. – указатель принадлежности к расходной статье теплового баланса; н, к – указатель того, что берется расход газов на входе и выходе из реактора соответственно.

Использование гидродинамической кавитации для разрушения бактериальных клеток в технологии обработки молока

Institution

Ähnliche Einträge