CC BY
142
83
Электроплазмолиз винограда с применением биполярных импульсов
Н. А. Попова, А. Я. Папченко, М. К. Болога
Институт прикладной физики АН Молдовы, ул. Академическая, 5, г. Кишинев, MD-2028, Республика Молдова, e-mail: andrei.vavcenco@mail.ru
Изучены закономерности электроплазмолиза винограда при использовании биполярных импульсов с крутым фронтом и пологим срезом в системе питания с глухозаземленной нейтралью. Описаны методика исследований, экспериментальные результаты по влиянию напряженности поля на изменение удельного сопротивления сырья, продолжительность и удельную энергию плазмолиза, выход сока и красящих веществ, результаты микроскопических исследований структуры плодового сырья. Приводятся эквивалентные электрические схемы замещения процесса плазмолиза, методика расчета электроплазмолизатора, результаты тестирования в технологической линии по переработке винограда.
Ключевые слова: электроплазмолиз, электрические импульсы, удельное сопротивление, биологическое сырье, клеточные структуры.
УДК 664.1.033
ВВЕДЕНИЕ
В процессах, связанных с извлечением ценных компонентов из растительного сырья, важным является разрушение полупроницаемых мембран клеток ткани. От степени их разрушения зависят выход сока и энергетические затраты на его извлечение.
Существуют разные способы повышения клеточной проницаемости сырья: измельчение,
тепловая обработка, обработка ферментными препаратами, электроплазмолиз (ЭП). Электроплазмолиз отличается высокой скоростью обработки с малыми энергозатратами. Поэтому применение усовершенствованных методов ЭП может не только интенсифицировать технологический процесс, но и улучшить качество продукции.
Под действием электрического тока разрушаются плазматические оболочки клеток и повышается их проницаемость, что приводит к увеличению выхода сока. При этом отмечается снижение электросопротивления растительного сырья, которое может служить критерием оценки и управления процессом электроплазмолиза.
Цель работы - изучение процесса ЭП под действием переменных импульсов, изменения проницаемости клеточных мембран; оптимизация выхода сока и полезных ферментов; уменьшение содержания примесей, привносимых в сок.
Анализируя состояние вопроса, следует отметить, что под воздействием электрического тока в растительной ткани происходят существенные морфологические и физиологические изменения, которые привлекали внимание исследователей различных стран [1-13].
Механизм электроплазмолиза до конца не выяснен, предложены разные его варианты: селективный нагрев плазматических оболочек ткани; омический нагрев биологической ткани до 80-140°С; электрическое деформационное сжатие клеточных мембран; диффузионная миграция влаги в электрическом поле [14-15].
Электрический ток производит передвижение ионов, причем их свободному переносу препятствуют полупроницаемые оболочки клеток. Вследствие этого у полупроницаемых мембран имеют место изменение концентрации ионов, неравномерное распределение последних, что и является причиной электрического раздражения, которое сопровождается увеличением их проницаемости. Проходя через растительную ткань, электрический ток вызывает увеличение ее проницаемости, и по достижении определенного предела раздражения в клетке могут произойти необратимые изменения, приводящие к отмиранию протоплазмы и, следовательно, к полной ее проницаемости [16].
Для раскрытия механизма процесса плазмолиза предложены электрические схемы замещения клеточных структур и математические модели клеток с использованием RC-элементов
[12, 17, 18], где R и С - электрическое сопротивление и емкость элементов клетки соответственно.
Плазмолиз растительного сырья осуществляется на постоянном, переменном (промышленной частоты 50 Гц) и импульсных токах. Различают высокоградиентный (1800-2000 В/см) и низкоградиентный (10-130 В/см) электроплазмолиз. При импульсном ЭП через уплотненную растительную ткань пропускают короткие им-
© Попова Н.А., Папченко А.Я., Болога М.К., Электронная обработка материалов, 2014, 50(6), 83-91.
84
пульсы высокого напряжения и большой мощности. В результате осуществляется разрыв плазматических оболочек, ускоряется процесс обработки и повышается его эффективность [19].
Исследования плазмолиза ведутся в основном контактным переменным током. Для плавного регулирования напряжения на электродах используется тиристорный регулятор мощности в режиме фазных нагрузок при напряжении до 220 В. Недостатком такой обработки является ограничение величины напряжения на электродах в пределах фазного, что лимитирует повышение напряженности электрического поля в зоне плазмолиза.
В работе была исследована обработка растительного сырья линейными биполярными импульсами с крутым фронтом и пологим срезом в системе питания с заземленной нейтралью, определены выход сока и содержание красящих веществ. Предполагается, что такая ЭП обработка позволит повысить напряжение на электродах до 380 В, ускорить процесс и снизить удельные энергозатраты [20]. Эффективность предлагаемого способа определялась в лабораторных и производственных условиях SRL GRAND GARANOVSCI Тараклийского винзавода.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Объектом исследования служил виноград сортов: «Каберне», «Молдова», «Изабелла» и «Ркацетели». В экспериментах использовалась установка, схема которой и временная диаграмма импульсов представлены на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - автоматический выключатель; 2 - счетчик электроэнергии;
3, 13 - амперметры; 4, 12, 14 - вольтметры; 5, 7, 9 - сими-сторы; 6, 8, 10 - фазные блоки управления; 11 - генератор импульсов; Ru R2 и R3 - нагрузочные сопротивления; 15 - осциллограф; 16 - магнитный пускатель;
17 - катушка магнитного пускателя; 18 - таймер; 19 - электрический секундомер; 20 - ячейка; 21 - электроды; 22 - мост переменного тока; 23 - пресс ручной; 24 - весы; 25 - термометр.
В электродную ячейку 20 загружается растительное сырье, и мостом 22 измеряется его сопротивление. Электроды 21 подключаются к клеммам Ан и Вн, и напряжение трехфазной сети питания с заземленной нейтралью Uc подается на
вход симисторов. На электроды симисторов 5, 7, 9 от генератора импульсов 10 подается напряжение управляющих импульсов Uy, которые благодаря нагрузочным сопротивлениям R1, R2, R3 открываются; после симисторов напряжение поступает на вход магнитного пускателя 16. Время, необходимое для плазмолиза сырья, задается с помощью таймера 18. На электроды 21 ячейки 20 подаются обрабатывающие электрические импульсы иф или ил, и измеряются параметры плазмолиза растительного сырья. После плазмолиза электродная ячейка подключается к мосту переменного тока 22, и измеряется электрическое удельное сопротивление сырья.
Рис. 2. Временная диаграмма: Uc - напряжение питающей сети трехфазного тока с заземленной нейтралью; Uy - напряжение управляющих импульсов; иф - напряжение фазных обрабатывающих импульсов; U„ - напряжение линейных обрабатывающих импульсов; Хф - время фронта; tc - время среза.
Электроплазмолиз сырья проводится следующим образом. Очередная навеска дробленого винограда загружается в электродную ячейку 20, и мостом 22 измеряется ее удельное электрическое сопротивление до и после обработки. Затем на электроды 21 от генератора 10 подаются электрические импульсы заданной напряженности электрического поля и энергии. После обработки сырье загружается в пресс, перемешивается и определяется количество сока-самотека. Далее при постепенно повышающемся через каждую минуту давлении (5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75 и 100 кг/см2) определяется выход прессового сока.
Анализы клеточного сока на содержание сахара и кислот проводились с помощью ареометра и методом прямого титрования. Содержание красящих веществ измерялось с помощью прибора КФК-3-УХЛ4.2.
Критериями оценки эффективности электроплазмолиза растительного сырья служили его удельное электрическое сопротивление и выход сока. Экспериментальные данные обрабатывались с помощью методов математической статистики.
85
ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Приводятся результаты исследований влияния напряженности поля линейных биполярных импульсов в системе питания с заземленной нейтралью на изменение удельного сопротивления сырья, продолжительность и удельную энергию плазмолиза, выход сока-самотека и сока прессовой фракции, содержание красящих веществ в соке.
Зависимости удельного сопротивления измельченной массы винограда от продолжительности плазмолиза при фиксированных напряженностях (рис. 3) показывают, что ее увеличение в четыре раза сокращает длительность процесса плазмолиза более чем в сто раз, что объясняется повышением реакции растительной ткани на изменение напряженности.
Рис. 3. Зависимость удельного сопротивления измельченного винограда сорта «Каберне» от времени плазмолиза при E, В/см: 1 - 50; 2 - 100; 3 - 200.
Применение линейных биполярных импульсов в сравнении с фазными позволяет повысить напряжение на электродах до 380 В и ускорить процесс плазмолиза.
При сравнении зависимостей удельных сопротивлений от продолжительности плазмолиза сырья фазными и линейными биполярными импульсами (рис. 4) видно, что последними в отличие от фазных можно ускорить процесс плазмолиза в 4-10 раз при одинаковом удельном сопротивлении сырья.
Рис. 4. Зависимость удельного сопротивления измельченного винограда сорта «Каберне» при применении фазных (кривая 1) и линейных (кривая 2) биполярных импульсов с амплитудами 220 и 380 В; расстояние между электродами 2 см.
Важным параметром является удельная энергия плазмолиза AW, которая определяется по формуле
AW = UIt/m = E2t/p, Вт-ч/кг; (1)
t = AWp/E2, с, (2)
где р - среднее удельное сопротивление растительного сырья, кОм-см; Е - напряженность электрического поля, В/см; t - время плазмолиза растительного сырья, с.; U - напряжение на электродах, В; I - величина силы тока в цепи электродной камеры, А; m - масса растительного сырья, кг.
Продолжительность процесса плазмолиза прямо пропорциональна произведению его удельной энергии на среднее удельное сопротивление сырья и обратно пропорциональна квадрату напряженности электрического поля.
Для проверки достоверности описания процесса формулой (2) рассчитано время плазмолиза растительного сырья tpac4. при AW = 1 Вт-ч/кг, Рнач. = 3,4 кОм-см, рконеч. = 2 кОм-см, рсред. = 2,7 кОм-см и различной напряженности поля. Расчетное и экспериментальное время плазмолиза сырья при различных напряженностях приведено в табл. 1, из которой следует, что они значительно отличаются.
Таблица 1
Исследование Е, В/см
50 100 150 200 400
AW'расч.- = E2 tрасч.Р, Вт-ч/кг 1 1 1 1 1
1расч. 1,08 0,27 0,12 0,06 0,01 6
AW'эксп. = = E2 4ксп./р, Вт-ч/кг 4,1 1,9 1,1 0,7 0,4
tэксп. 4,4 0,51 0,13 0,05 0,01
К = *^плаз. = AW /AW L*yt эксп.'1ЛУ у расч. 4,1 1,9 1,1 0,7 0,4
Формула (1) не отражает процессы, происходящие в клетках растительной ткани при электроплазмолизе. При напряженности 50 В/см они длительно выдерживают раздражающее воздействие биполярными импульсами, а при напряженности выше 150 В/см живая растительная ткань переходит в режим разрушения полупроницаемых мембран клеток. В результате время плазмолиза резко сокращается.
Отношение AW,,Kcn. к AWpac4. авторами принято в качестве коэффициента плазмолиза сырья
(Кплаз.):
AW /AW = К
L-^yy эксп. ' уу расч. Аvплаз. ?
и формула (1) примет вид
AW^cn. = UIt Кплаз. /т = E2t Кплаз. /р, Вт-ч/кг.
86
Увеличение напряженности электрического поля в диапазоне от 50 до 400 В/см сокращает удельный расход энергии на плазмолиз винограда (рис. 5), снижает его удельное сопротивление -от 3,4 до 2,0 кОм-см.
На основе планированных экспериментов влияния напряженности биполярных импульсов на соотношение АЖ,кс„./АЖрасч = Кплаз. при плазмолизе винограда сорта «Каберне» получено уравнение
Кплаз, = 18,115 + 0,0112* - 8,622log10(x)
с коэффициентом корреляции К = 0,9966, х - напряженность электрического поля.
Рис. 5. Зависимость АЖэкс„/АЖрасч. от напряженности при плазмолизе винограда сорта «Каберне».
Важным параметром в оценке эффективности электроплазмолиза растительного сырья является выход сока.
В этой связи получены зависимости выхода сока из измельченной массы винограда от удельной энергии линейных биполярных импульсов, давления и времени прессования (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость выхода сока из измельченного винограда сорта «Каберне» от времени и давления прессования при фиксированных значениях удельной энергии плазмолиза, AW, Вт-ч/кг: 1 - контроль; 2 - 0,5; 3 - 1; 4 - 3.
На первом этапе отделения сока от мезги без давления (при ее перемешивании) получают сок-самотек, рост количества которого при
AW = 0,5 Вт-ч/кг по сравнению с контролем составил 6%.
При одинаковых режимах прессования (P = 100 кг/см2, t = 10 мин) линейные биполярные импульсы повышают выход сока из винограда сорта «Каберне» на 1,5-2,5% (рис. 6).
На основе математического планирования экспериментов по влиянию удельной энергии плазмолиза, давления и времени прессования на выход сока из винограда сорта «Каберне» (табл. 2) получена модель процесса:
В = 1,725 W + 0,887 t + 0,066 P + 66,912,
учитывающая влияние выбранных факторов степенью корреляции 0,9732.
По результатам исследований установлены оптимальные режимы плазмолиза сырья: AW = 1-3 Вт-ч/кг; E = 100-150 В/см; время обработки - 0,1-1 с; время и давление прессования -10 мин и 100 кг/см2 соответственно.
Зависимость содержания красящих веществ в соке из красных сортов винограда от удельной энергии плазмолиза, продолжительности и удельного давления с использованием линейных биполярных импульсов (рис. 7) показывает, что происходит увеличение содержания красящих веществ в соке-самотеке на 4% и в соке прессовой фракции - на 20%.
Рис. 7. Зависимость содержания красящих веществ в соке винограда сорта «Каберне» от времени и давления прессования при плазмолизе и фиксированных значениях разности температур, °С: 1 - контроль; 2 - 3; 3 - 5; 4 - 10.
Выполнены планированные эксперименты влияния температуры, времени прессования и давления на содержание красящих веществ в соке и получена математическая модель вида
D = 193 - 5 Т - 3,5 0 - 0,35 Р
с коэффициентом корреляции 0,998, где Т - повышение температуры в процессе плазмолиза, °С; ti, мин; Р, кг/см2 и D - прозрачность сока, %.
Таким образом, для процесса диффузии ценных компонентов из растительного сырья все факторы значимы.
87
Таблица 2
№ п/п Факторы Уровни варьирования факторов
* AW, Вт-ч/кг Х2 t, мин Хэ Р, кг/см2 Y В, %
1 Основной уровень, код (0) 1 9 90 85,3
2 Интервал варьирования, код (+1) 0,5 1 10
3 Верхний уровень, код (+1) 1,5 10 100 86,5
4 Нижний уровень, код (-1) 0,5 8 80 81,4
5 Звездная точка +1,682 2,34 10,68 106,82 87,1
6 Звездная точка -1,682 0,34 7,32 73,18 78,4
МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛОДОВОГО СЫРЬЯ
Изучение электроплазмолиза биологических тканей сопряжено с необходимостью учета изменения структуры клеток (рис. 8).
Микроскопическими исследованиями установлено, что под действием электрических импульсов полупроницаемые мембраны клеток, плазмалемма и тонопласт теряют свойство полупроницаемости и становятся проницаемыми для сока. Микрофотограмма (а) и участок поперечного среза протопласта и стенки клетки (б) контрольного образца сырья (рис. 9), а также микрофотограмма (а) и участок поперечного среза протопласта и стенки клетки (б) образца, подвергнутого электроплазмолизу (рис. 10), показывают, что в образцах, обработанных электрическими импульсами, происходят существенные изменения. На рис. 10б - нарушение целостности протоплазмы клеток и разрывы клеточных мембран, плазмалеммы и тонопласта.
Рис. 8. Схематическое изображение сочной растительной клетки: 1 - вакуоль; 2 - плазма десмы; 3 - аппарат Гольджи; 4 - цитоплазма; 5 - ядро; 6 - тонопласт; 7 - плазмалем-ма; 8 - межклетник.
(a) (б)
Рис. 9. Микрофотограмма (а) и участок поперечного среза протопласта и стенки клетки (б) контрольного образца: 1 - клеточная оболочка; 2 - вакуоль; 3 - тонопласт; 4 - плазмалемма.
(a) (б)
Рис. 10. Микрофотограмма (а) и участок поперечного среза протопласта и стенки клетки (б) образца сырья, подвергнутого электроплазмолизу: 1 - клеточная оболочка; 2 - вакуоль; 3 - фрагменты цитоплазмы (тонопласта и плазмалем-мы).
ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ПРОЦЕССА ПЛАЗМОЛИЗА ПЛОДОВОГО СЫРЬЯ
Для описания процесса плазмолиза ранее были предложены электрические схемы замещения клеточных структур на основе математических моделей клеток при помощи RC элементов [12]. Рассмотрены также и стохастические модели, в которых учитывалась оптимизация по выделению энергии [13]. Однако в указанных работах рассматриваются модели растительной ткани без учета влияния процессов переключения, содержащих элемент необратимости при электроплазмолизе. Именно при импульсном ЭП наиболее эффективно происходит разрыв плазматических оболочек.
В этой связи предложены схемы замещения, отражающие динамику изменений в растительной ткани в процессе ее подготовки к извлечению сока: клетки, ткани, измельченной и электроплазмолизованной ткани растительного сырья (рис. 11-14) - и формулы определения полного сопротивления. В схемах замещения мембран клеток использован управляемый диод, который в отличие от активного сопротивления более полно отражает динамику процесса. При нормальной жизнедеятельности клетки на границах мембран между ее вакуолью и межклеточной жидкостью имеются электрический заряд емкостью С и определенная разность потенциалов. Эти параметры управляют с помощью UD жизнедеятельностью клетки (рис. 11 и 12). При воз-
88
действии на последнюю биполярных импульсов с крутым фронтом и пологим срезом подавляется заряд на емкости С и возникает импульсный ток, нарушающий целостность плазматических оболочек. Величина тока зависит от амплитуды биполярных импульсов и определяет время процесса.
На рис. 11 представлена электрическая схема замещения клетки растительного сырья, состоящая из вакуоли (R), ограниченной полупроницаемыми мембранами (C, UD).
С
Zi =. R12 +
rnc
2
1
Рис. 11. Эквивалентная электрическая схема замещения клетки сочного растительного сырья и формула определения ее полного сопротивления Z1. R1 - сопротивление сока вакуоли; С - емкость клеточных мембран и UD - управляемый диод полупроницаемых мембран клетки.
Клетка в нормальных условиях полупроницаема и ее общее удельное сопротивление в зависимости от состояния составляет 20-50 кОм-см.
Растительная ткань состоит из клеток и межклеточной жидкости (рис. 12), причем межклеточная жидкость имеет по сравнению с клеткой малое удельное электрическое сопротивление и малый объем. Удельное сопротивление растительной ткани составляет примерно 8-16 кОм-см При воздействии электрических импульсов ток течет по межклеточной жидкости, воздействует на плазмалемму и тонопласт, и клетки становятся проницаемыми для сока вакуолей.
Рис. 12. Эквивалентная электрическая схема замещения ткани сочного растительного сырья и формула определения ее полного сопротивления Z2. R2 - сопротивление межклеточной жидкости, Z1 - общее сопротивление клетки.
На общее сопротивление ткани в нормальных условиях влияет только сопротивление межклеточной жидкости. С учетом того, что измеренное удельное сопротивление ткани в нормальных условиях составляет примерно 16 кОм-см, а
удельное сопротивление межклеточной жидкости примерно 100 Ом-см, коэффициент концентрации межклеточной жидкости в растительной ткани kb составит примерно 0,006.
На общее сопротивление измельченной ткани (рис. 13) влияют сопротивление сока, вышедшего из клеток ткани в процессе измельчения R3, и общее сопротивление ткани Z2. Так как измеренное удельное сопротивление измельченной ткани составляет примерно 6 кОм-см, а удельное сопротивление сока вакуоли клеток примерно 1,2 кОм-см, то коэффициент концентрации сока вакуоли в измельченной растительной ткани kc составит примерно 0,2.
Z3 =-
Z1R2 R3
Z1 + R2 + R3
Рис. 13. Эквивалентная электрическая схема замещения измельченной ткани сочного растительного сырья и формула определения ее полного сопротивления. R3 - сопротивление сока, вышедшего из клеток ткани в процессе измельчения; Z3 - общее сопротивление измельченной ткани.
Рис. 14. Эквивалентная электрическая схема замещения измельченной электроплазмолизованной ткани сочного растительного сырья и формула определения ее полного сопротивления Z4. R4 - сопротивление сока, утратившего связь с клеткой в результате электроплазмолиза измельченного растительного сырья; Z4 - общее сопротивление измельченной электроплазмолизованной ткани.
На общее сопротивление электроплазмолизованной измельченной ткани Z4 (рис. 14) влияют сопротивление сока, утратившего связь с клеткой в результате электроплазмолиза измельченного растительного сырья R4, и общее сопротивление измельченной ткани Z3. С учетом того, что измеренное удельное сопротивление измельченной электроплазмолизованной ткани растительного сырья составляет примерно 1,5 кОм-см, а удельное сопротивление сока вакуоли клеток
89
1,2 кОм-см, коэффициент концентрации сока вакуоли в измельченной электроплазмолизованной растительной ткани kd составит примерно 0,8.
Из приведенных эквивалентных схем замещения клетки, ткани, измельченной ткани и измельченной плазмолизованной ткани следует, что всякое воздействие (измельчение, электроплазмолиз) на растительное сырье вызывает увеличение его проницаемости и снижение удельного сопротивления. Благодаря малому удельному сопротивлению межклеточной жидкости в сравнении с удельным сопротивлением сока вакуоли происходит плазмолиз растительной ткани, находящейся в соке.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОПЛАЗМОЛИЗАТОРА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПЛОДОВОГО СЫРЬЯ
По результатам экспериментальных исследований разработан электроплазмолизатор для измельченного растительного сырья биполярными импульсами [21-24], продольный разрез которого представлен на рис. 15, а поперечные
разрезы - на рис. 16 и 17.
Рис. 16.
Он состоит из цилиндрического диэлектрического корпуса 1, в котором установлены электроды 2-7 в форме усеченных пирамид; 8 - вход; 9 - выход; 10 - рабочая зона; 11 и 12 - кольцевые электроды. Плазмолизатор подключается к трехфазному источнику питания.
Основными параметрами, по которым различаются электроплазмолизаторы, являются: производительность, геометрия рабочей камеры, число фаз электрического тока и потребляемая мощность. Помимо конфигурации рабочей камеры влияние оказывают размеры электродов, их количество и взаимное расположение.
Расчет электроплазмолизаторов заключается в определении указанных параметров с целью обеспечения необходимых условий плазмолиза. Для этого принимаем исходные данные: вид перерабатываемого сырья; производительность технологической линии Q, т/ч; способ подачи измельченного сырья от дробилки к стекателю; диаметр мезгопровода D.
Исходя из конструкции плазмолизатора (рис. 15-17), задаются расстояние между электродами l, напряжение питания U и определяются:
- напряженность электрического поля в зоне плазмолиза Е = U/l, В/см;
- сечение мезгопровода
S = nD2 /4, см2;
- длина грани электродов
b = 0,3D см;
- сечение электрода
S = —, см2;
1 2
- сечение камеры плазмолиза
S2 = S - nS1, см2,
n - количество электродов, шт.;
- скорость перемещения сырья в электродной камере
v =—Q—, см/с;
3600yS2
- длина электродов
L = vt0, см;
t0 - время плазмолиза принято 1 с.;
90
- площадь электродов в фазе
S3 = 2nxbL, см2,
n1 - количество электродов в фазе, шт.; - ток в каждой фазе плазмолизатора
I =
US3
pi
,A;
плотность тока в фазе плазмолизатора
Рис. 20. Схема технологической линии по переработке винограда: 1 - бункер; 2 - дробилка; 3 - мезгонасос; 4 - элек-троплазмолизатор; 5 - стекатель; 6 - пресс.
j = — < 0,3, А/см2;
S3
объем камеры плазмолиза
V = S2L см3;
- доля объема сырья в электродной камере от производительности технологической линии
k = Si;
V h
t0 =- ,
3600
- по графику (рис. 3) принимаем время плазмолиза t;
- потребляемая удельная энергия плазмолиза ^U 2 S3kt Вт-ч/т.
AW =-
QPL
ТЕСТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПЛАЗМОЛИЗА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ВИНОГРАДА
Электродная камера работает следующим образом. Через вход электродной камеры 8 подается сырье, а на электроды - напряжение. Форма, размещение и подключение электродов к источнику питания позволяют создать однородное поле в зоне обработки, что обеспечивает высокую эффективность и увеличение срока эксплуатации устройства.
Рис. 18. Модель экспериментальной камеры плазмолиза: 1 - клеммная коробка; 2 - фланец; 3 - камера плазмолиза; 4 - электроды.
Рис. 19. Электроплазмолизатор в технологической линии по переработке винограда: 1 - корпус; 2 - фланцы; 3 - мезгопровод технологической линии; 4 - клеммная коробка; 5 - кабель электропитания.
Разработанный способ электроплазмолиза измельченного растительного сырья линейными биполярными импульсами с крутым фронтом и пологим срезом и проточный электроплазмоли-затор прошли производственные испытания в технологической линии Тараклийского винзавода (рис. 18-20).
Получено увеличение выхода сока из винограда сорта «Каберне» на 3,1% и сорта «Ркацители» на 2,4%.
Качественные показатели сока свидетельствуют об отсутствии изменений по сравнению с традиционной технологией.
ВЫВОДЫ
Разработан способ электроплазмолиза винограда линейными биполярными импульсами с крутым фронтом и пологим срезом в системе питания с глухозаземленной нейтралью, отличающийся ускорением процесса плазмолиза и снижением удельных энергозатрат.
Экспериментально установлено, что плазмолиз линейными биполярными импульсами с крутым фронтом и пологим срезом обеспечивает увеличение выхода сока самотека до 6%, общий выход сока - до 2,5%, содержание красящих веществ - на 20%.
На основе микрофотограммы участков поперечных срезов протопласта и стенки клетки в контроле и после плазмолиза показано, что при электроплазмолизе происходят глубокие изменения в протоплазме клеток, нарушение целостности плазматических оболочек - плазмалеммы и тонопласта.
Разработаны эквивалентные электрические схемы замещения и получены формулы определения полного сопротивления клетки, ткани, измельченной ткани, измельченной электроплазмолизованной ткани.
Способ электроплазмолиза измельченного растительного сырья линейными биполярными импульсами и проточный электроплазмолизатор испытаны в производственной технологической линии по переработке винограда. Получено увеличение выхода сока из винограда сорта «Каберне» на 3,1% и винограда сорта «Ркацители» - на 2,4%.
91
ЛИТЕРАТУРА
1. Жилкин В.М., Грибков А.Н., Муромцев Ю.Л. Оценка результативности процесса подготовки растительных материалов к обезвоживанию. Вестник ТГТУ. 2009, 15(2), 410-415.
2. Sack M., Eing C., Berghofer T., Buth L., Stangle R., Frey W. and Bluhm H. Electroporation-Assisted Dewatering as an Alternative Method for Drying Plants. Transactions on Plasma Science. 2008, 36, 88-92.
3. Ngadi M.O., Bazhal M.I., Raghavan G.S.V. Engineering Aspects of Pulsed Electroplasmolysis of Vegetable Tissues. CIGR. J of Scientific Research and Development. 2003, 5, 235-239.
4. Popova Natalia. Analiza posibilita(ilor de micsorarea energiei de consum specifice la producerea aperiti-velor din conserve de legume. Teze conferinfei fizicienilor din Moldova, CFM-2007, 18-21 сентября 2007, Chisinau р.167-168.
5. Христюк В.Т. Современные способы электрофизического воздействия на биосистемы, пищевое сырье и жидкие пищевые среды. Известия вузов. Пищевая технология. 2008, 11(2), 155-159.
6. Алексеенко Е.В., Дикарева Ю.М. Влияние условий биокатализа ягод облепихи на выход сока.
Хранение и переработка сельхозсырья. 2012, (9), 38-40.
7. Джаруллаев Д.С., Мустафаева К.К. Способ увеличения выхода сока из облепихи. Дагестанский государственный технический университет. Известия вузов. 2008, (3), 28-29.
8. Михайлова Т.Н. Эффективность электрообработ-
ки яблочной стружки для интенсификации прессования для получения сока. Пищевая и перерабатывающая промышленность. 2003. (1),
289-291.
9. Бадальян З.В., Степанова Э.Ф. Изучение возможности совершенствования технологии получения сока подорожника. Современные наукоемкие технологии. 2011, (1), 32-33.
10. Вавилова О.И. Моделирование и экспериментальное исследование кинетики измельчения пищевого сырья под действием импульсного электрического поля. Пищевая и перерабатывающая промышленность. 2004, (1), 45-47.
11. Климова Е. В. Сравнение антиоксидантной активности морковного сока, стабилизированного импульсным электрическим полем высокого напряжения. Пищевая и перерабатывающая промышленность. 2011, (2), 501-504.
12. Чебану В.Г., Баранов С.А., Щеглов Ю.А. Роль клеточных структур в определении электропроводности растительной ткани электрического пробоя неоднородных систем в нестационарных полях. ЭОМ. 1983, (5), 77-79.
13. Baranov S.A. Generalized Conductivity and Optimum Energy Release. Technical Physics. 1999, 44(7), 853-854.
14. Popova N., Papcenco A., Bologa M. Influenfa impul-surilor electrice asupra structurii celulelor materiei
prime vegetale. Teze ARA-35. 6-11 iulie, 2011, Timisoara, Romania, C. 135-137.
15. Popova N., Papchenco A., Bologa M. Dynamics of
the Treatment of Vegetal Raw Materials by Electroplasmolysis. Teze MSCMP-2012. 11-14
September, 2012, Chisinau, p. 291-292.
16. Гулый И.С., Лебовка Н.И., Манк В.В., Купчик М.П., Бажал М.И., Матвиенко А.Б., Папченко А.Я. Научные и практические принципы электрической обработки пищевых продуктов и материалов. Киев: НУУПТ, 1994. 1-68 c.
17. Чизмаджев Ю.А., Пастушенко В.А. Электрическая стабильность биологических и модельных мембран. Биологические мембраны. 1989, (10), 1013-1045.
18. Папченко А.Я., Попова Н.А., Чебану В.Г., Болога М. К. Электроплазмолиз в технологии переработки красных сортов винограда. ЭОМ. 2010, 46(2), 80-82.
19. Popova N., Botosanu N., Papcenco A., Berzoi S., Tardea I., Ciobanu V. Proprieta(ile optice a sucului de portocale primit din materia prima electroplasmo-lizata. Materialele conferinfei nafionale de termo-tehnica cu participare internafionala, edifia a IX-a, Craiova, 27-30 mai 1999, p. 203-208.
20. Popova N., Papcenco A. The Effects of Electrical Pulses to the Structure of Cells Plant Materials.
Abstracts 2nd International Conference on Nanotechnologies and Biomedical Engineering. Chisinau, Moldova, Chisinau, April, 18-20, 2013, 468-470.
21. Popova N. Dispozitiv de taiere si electroplasmoliza a materiei prime vegetale. Brevet de invenfie MD 3902 G2 2009.05.31.
22. Popova N., Papcenco A. Electroplasmolizator pentru materie prima vegetala. Brevet de invenfie MD 3641 G2 2008.07.31.
23. Papcenco A., Popova N. Electroplasmolizator pentru materie prima vegetala. Brevet de invenfie MD 37640 G2 2008.11.30.
24. Cobanu V., Papcenco A., Bologa M., Gaina B., Popova N., Jirdea I. Instalafe pentru electroplas-moliza materiei prime vegetale faramfate. Brevet de invenfie MD 3965 C2 2009.10.31.
Поступила 20.06.14 После доработки 31.10.14 Summary
The regularities of electroplasmolysis of grapes using bipolar pulses with a sharp leading edge and sloping tail with a power supply with a grounded neutral are studied. The research methodology, experimental results on the effect of an electric field intensity on the change in the specific resistivity of raw materials, of the duration and specific energy of plasmolysis, of the juice and dyes yield, and the results of microscopic studies of the structure of the fruit raw materials are described. Equivalent electrical circuits of the plasmolysis process, a method of the electroplasmolyser calculation, and the test results obtained at the production line for grapes processing are given.
Keywords: electroplasmolysis, electrical pulses, specific resistivity, biological materials, cellular structure.
