Введение Важнейшими продуктами промышленного про­изводства на различных стадиях технологического потока пищевых и лекарственных продуктов являются жидкие концентраты соков, молока, сыворотки, экстракты трав, ягод и других продуктов. На различ­ных стадиях получения этих веществ имеется целый ряд существенных недостатков. Периодичность циклов не позволяет механизировать и автоматизировать процесс выпаривания или растворения, обеспечить нормальные условия труда. Необходимость защиты теплопередающей поверхности фторопластами и другими материалами, устойчивыми в коррозионном отношении, естественно, не приводит к увеличению удельной мощности греющих камер теплообменни­ков, обогреваемых «глухим» паром. Процессы рас­творения, как и выпаривания, десорбции, лишенные вышеперечисленных недостатков, целесообразно осуществлять в аппаратах электродного типа (с пря­мым электрическим нагревом), в которых использу­ется интенсифицирующее воздействие переменного электрического тока промышленной частоты, прохо­дящего между электродами. Важно и то, что элек­тротехнологии во многих случаях более целесооб­разны с точки зрения сохранения стабильной эколо­гической обстановки.Значительный вклад в развитие теоретических предпосылок и практики использования аппаратов электродного типа внесли H.И. Гельперин, H.П. Ку­рин, H.С. Тураев, В.Л. Пищулин, В.И. Косинцев и другие ученые страны, но остался целый ряд нере­шенных проблематических вопросов.В последние годы активно развивается примене­ние в пищевых технологиях электрического тока не­посредственно для обработки сырья и продуктов, а именно: электрогидравлический шок, электропора­ция (разрушение клеточных мембран) и нагрев за счет джоулевой теплоты – прямой электронагрев (омический нагрев).Такие способы воздействия на пищевое сырье в некоторых случаях, особенно когда энергоносителем выступает электроэнергия, могут заменить традиционный нагрев за счет теплопроводности, конвекции и излучения, поскольку генерирование теплоты здесь происходит в самом продукте, что позволяет существенно повысить энергоэффективность производст­венных процессов.Впервые про прямой электронагрев для пастери­зации молока упоминалось в 1919 году [4], но ус­пешное применение осуществлено и описано Гетче­лом в 1935 году.Другое практическое применение в виде устрой­ства для бытового применения прямого электрона­грева было отмечено в 1938 году в США в виде так называемого «процесса электропюре». Но это направление развития бытовой техники не получило дальнейшего развития из-за высокой стоимости, несовершенства средств электробезопасности, отсутствия инертных относительно рабочей среды материалов для изготовления электродов. Несмотря на некоторые недостатки прямого электронагрева, в последние две декады ХХ века продолжались исследования применения прямого электронагрева в технологиях обработки фруктов, овощей, мясопродуктов, моло­копродуктов [1].Прямой электронагрев является также одним из современных методов осуществления ультравысоко­температурного процесса стерилизации (UHT sterilization process). Преимущество прямого электронагрева в сравне­нии с традиционным нагревом: быстрый и однород­ный нагрев, более высокая степень стерилизации при более низких температурах обработки, более высо­кое качество продукции, возможность обработки продукта с высоким содержанием твердых состав­ляющих, непрерывность производственного про­цесса и надежный контроль его параметров.Пищевая промышленность является одной из наиболее энергоемких областей. По этой причине за­служивает особого внимания аспект энергосбереже­ния. Поскольку стоимость энергии возрастает, а энергоснабжение становится более проблематичным, научные работники, инженеры и работники про­мышленности разных стран выискивают приемле­мые пути уменьшения потребления энергии в данной сфере. С помощью прямого электронагрева стано­вится доступной обработка продуктов с включе­ниями размером до 10–13 мм, что затруднительно при ведении процессов в обычных теплообменных аппаратах [3]. Кроме того, по сравнению с обыч­ными теплообменниками эксплуатация аппаратов прямого электронагрева и их обслуживание более просты.Прямой электронагрев может использоваться для нагревания жидких пищевых продуктов, содержа­щих большие частицы, такие как супы, тушеные продукты, ломтики фруктов в сиропах и соусах, а также для нагревания термочувствительных жидко­стей. Этот способ подвода энергии целесообразно использовать при тепловой обработке протеиновых продуктов, которым свойственна термическая дена­турация и коагуляция. Например, яичный белок мо­жет быть нагрет и законсервирован без коагуляции. Одним из направлений применения прямого элек­тронагрева может быть очистка фруктов и овощей от кожуры. При этом можно в значительной мере уменьшить использование щелочи, обычно приме­няемой для таких операций, что поможет уменьшить выбросы в окружающую среду [2].Сегодня ряд зарубежных фирм выпускают про­мышленные аппараты прямого электронагрева для пищевых технологий. Среди них Emmepiemme SRL (Италия), APV (Великобритания) и прочие. Мощ­ность таких аппаратов составляет 50–500 кВт, тем­пература обработки продукта 50–170 ˚С, производи­тельность 500–3000 кг/ч.С использованием прямого электронагрева значи­тельное количество перерабатывающих заводов раз­ных стран (Италия, Греция, Франция, Мексика, Япо­ния) уже вырабатывают цельные консервированные фрукты, фрукты в соусах, ломтиках и кубиках [2]. В США прямой электронагрев применяется для произ­водства низкокислотных фракционных (с кусочками) продуктов в консервных банках, а также для пасте­ризации яичных белков. Анализ, проведенный в университете штата Мин­несота в 90-х годах ХХ века, показал, что примене­ние прямого электронагрева является экономически целесообразным, поскольку дает возможность существенно повысить качество продуктов [4]. Это дало толчок к развитию технологий и оборудования для прямого электронагрева в пищевых областях. На сегодня стоимость оборудования для прямого электро­нагрева существенно снизилась и диапазон продук­тов, для изготовления которых применяется прямой электронагрев, значительно расширился.В 2004 году ученые и производители Словацкой Республики начали проект FOOD Prostart с целью повышения конкурентоспособности продукции сло­вацкой пищевой промышленности на рынках Авст­ралии, Японии и Северной Америки. Они считают, что традиционные методы нагрева, где теплота обра­зуется за пределами продукта и передается продукту за счет теплопередачи или конвекции, непригодны для производства продукции из фруктов и овощей, содержащей частицы первичного сырья. При этом наблюдается перегрев жидких компонентов и недос­таточный прогрев частиц, потеря пищевых и органо­лептических качеств продукта. Целью проекта является решение указанных проблем с помощью пря­мого электронагрева.Согласно данным, приведенным в справочнике энергоэффективности, выпущенном при участии Де­партамента анализа энергетики США, перспектив­ными сферами применения прямого электронагрева является переработка овощей и фруктов, включая бланширование, упаривание, дегидратацию, фермен­тацию и экстракцию. В опытах, проведенных в уни­верситете штата Луизиана, образцы сладкого карто­феля (батата) обрабатывались прямым электронагре­вом перед сушкой замораживанием. Это повышало степень высушивания на 25 %, что приводило в свою очередь к значительной экономии электроэнергии и сокращению времени на обработку. Вместе с тем указано, что на эффективность процесса влияют та­кие параметры процесса, как частота переменного тока, напряжение, температура, до которой нагрева­ется рабочая среда, и ее электропроводность [3].Действительно, основными параметрами, харак­теризующими процесс прямого электронагрева, яв­ляются частота тока, напряженность электрического поля и электрофизические свойства продукта. Уве­личение напряженности электрического поля или уменьшение сопротивления продукта приведет к увеличению рабочего тока и, как следствие, к интен­сификации выделения джоулевой теплоты. Также известно, что интенсивность нагревания со сниже­нием частоты увеличивается. Так, наибольший эф­фект с точки зрения интенсивности нагревания имеет место при применении постоянного тока. Но исполь­зование постоянного тока для непосредственного на­грева пищевых продуктов крайне ограниченно, а в большинстве случаев является невозможным вслед­ствие электролиза [6, 7, 9]. Объекты и методы исследованийС увеличением частоты тока эффективность пря­мого нагрева продуктов уменьшается. Это происхо­дит вследствие уменьшения глубины проникновения электромагнитного поля в объем продукта (поверх­ностный эффект). Таким образом, применение токов высокой частоты фактически может привести к обра­зованию неравномерных полей температур в нагре­ваемом продукте.Под действием электрического поля электроны и ионы вещества перемещаются от одного электрода к другому, образуя ток проводимости. Плотность тока проводимости:   где V – объем, для которого находится среднее зна­чение тока проводимости; v – скорости; q – заряды частиц с учетом их знака.В общем случае в неоднородном электрическом поле необходимо пользоваться не средней плотно­стью тока, а плотностью тока в данной точке, кото­рая определяется как предел средней плотности тока при стремлении объема к нулю:   Здесь стремление объема к нулю рассматривается макроскопически, т.е. при условии, что линейные размеры этого объема значительно превосходят рас­стояние между соседними зарядами. Плотность тока проводимости является функцией напряженности электрического поля. Если зависимость между j и Е характеризуется линейными дифференциальным или алгебраическим уравнениями, то материал относят к линейным, обладающим линейной проводимостью. Если же связь между j и Е описывается нелинейным уравнением, то материал называют нелинейным.Большинство пищевых продуктов имеют линей­ную вольт-амперную характеристику в широком диапазоне Е и с достаточной точностью описыва­ются дифференциальным законом Ома:   где σ – удельная проводимость, не зависящая от ве­личины Е. При этом если Е изменяется скачком от нуля до Е0, то и ток проводимости изменяется также скачком от нуля до jпр 0. При заметной инерции ионов, образующих ток проводимости, они могут не успевать мгновенно следовать за изменением электрического поля. Однако в диапазоне частот 0–14 кГц, применяемых для электроконтактного (омического) нагрева, инерцией зарядов можно пренебречь [5].От источника тока к продукту, помещенному ме­жду электродами, передается электрическая энергия, величина которой:   Эта энергия преобразуется в тепло, образуя в продукте внутренние источники тепла. Перейдя от общей энергии, поступающей от источника к объ­екту обработки, к удельной энергии, приходящейся на единицу объема вещества, запишем:   где V – объем материала с сечением S, равным пло­щади электродов, и с толщиной, равной расстоянию между электродами d. При линейной зависимости между jпр и Е удельная энергия, полученная от тока проводимости:  а соответствующая мощность:   Эта мощность составляет удельные потери, т.е. энергию, которая в единицу времени расходуется на нагрев материала за счет токов проводимости.Вторая составляющая энергия может быть также представлена из двух слагаемых, обусловленных мгновенным и релаксационным смещением:   В строгом рассмотрении можно показать, что токи смещения в отличие от токов проводимости не сопровождаются выделением джоулевой теплоты. Это положение строго справедливо также к токам смещения в диэлектриках, диалектическая постоян­ная которых не зависит от температуры (квазиупру­гие диполи). Что же касается диэлектриков с посто­янными диполями, то изменение поляризации ди­электриков этого класса сопровождается некоторым выделением или поглощением тепла и токи смеще­ния в них сопровождаются тепловыми эффектами.Однако для большинства пищевых продуктов в диапазоне частот, применяемых при электрокон­тактной обработке, токами смещения можно пренеб­речь. Это объясняется тем, что для большинства пи­щевых продуктов характерно значительное содержа­ние влаги, а для воды резонансная частота, соответ­ствующая собственной частоте колебаний диполей, лежит в области 109 Гц, что на много порядков выше частот, применяемых при электроконтактной обра­ботке [5, 7, 9]. При таком различии частот поглоще­нием энергии переменного электрического поля ди­полями можно пренебречь. Например, для воды – общего компонента многих пищевых продуктов – мощность рассеивания при высокочастотном нагреве определяют по формуле   где Р0 – активная мощность; ε' – вещественная ди­электрическая проницаемость; ƒ – частота, кГц; tgχ – тангенс угла диэлектрических потерь; Е – напряжен­ность электрического поля.При ƒ = 10 кГц, Е = 1000 В/м, Т = 15 °С, ε' = 87, tgχ = 1,4 мощность рассеивания равна 6,76 Вт/м3, что на 2–3 порядка меньше мощности, вычисленной без учетов токов смещения. Кроме расходования электроэнергии на нагрев, часть энергии затрачивается на разрушение электро­дов. В ряде исследований разрушение электродов под действием переменного электрического тока в электролитах используется для синтеза соединений. Так, в [5, 6, 8, 9] было определено, что скорость раз­рушения металлов электродов прямо пропорцио­нальна плотности тока. Зависимость скорости раз­рушения металлов в ходе электролиза от плотности тока выражается эмпирической формулой [6, 7]:   где q0, q1 и n – эмпирические коэффициенты, зави­сящие от температуры.  Результаты и их обсуждениеВ ходе исследований в США в университете штата Миннесота [4] было определено, что влияние материалов электродов на продукт можно исключить двумя способами: – использованием сталей, неопасных для жизни при частичной диссоциации ионов металла в раствор;– применением высоких частот (свыше 100 кГц), исключающих растворение металла.Так как для исследования прямого электрона­грева была взята промышленная частота тока (в со­ответствии с ГОСТ 13109-97 (50±0,2) Гц), то исключить влияние на продукт можно только подбором материала электродов. В нашем случае в качестве электродов использовалась сталь 12Х18Н10Т (ГОСТ 11068-81), обеспечивающая нейтральную реакцию с различными агрессивными химическими средами и реагентами даже при нагреве до 300 0С. Для «пище­вых сред» справочная скорость коррозии для данной стали составляет ~0,01 мм/год. Задача первичных исследований – определить характер протекания процесса прямого электрона­грева плодово-ягодных соков в условиях атмосфер­ного давления, влияние формы и расположения элек­тродов на интенсивность процесса и физико-химиче­ские свойства получаемого продукта.Для исследования были взяты различные водные растворы: – концентрат яблочного сока «Яблоко 003» по ТУ 9185-015-00333204-2005, изменение № 1 «Концен­траты для пищевых продуктов на натуральном сы­рье»;– диффузионный свекольный сок (отвар), полу­ченный в лабораторных условиях из столовой свеклы сорта «Бордо 237»;– витаминный экстракт пихты сибирской «ВЭПС®» по ТУ 9759-003-14405189-05. Исходные данные представлены в табл. 1.В качестве электрохимической ячейки был взят стеклянный термостойкий химический стакан объе­мом 600 мл, ГОСТ 9147-80. Поверхность испарения составляла 5,024·10-6 м2. Электроды выполнены плоскопараллельными из полосок стали марки 12Х18Н10Т толщиной 2 мм, шириной 18 мм и дли­ной на всю глубину стакана до упора в дно. Фикси­рованное расстояние между электродами 20 мм.    Таблица 1 Объекты исследования НаименованиеКонцентрация сухих веществпо шкале BRIXВосстановленный яблочный сок8,18*Свекольный сок1,34Экстракт пихтысибирской1,21*Получено путем разбавления концентрата дистилли­рованной водой. В качестве регулируемого источника тока ис­пользовался лабораторный автотрансформатор марки ЛАТР-2, в управляемую цепь которого были включены для контроля параметров электрохимиче­ской ячейки стрелочный амперметр и вольтметр по ТУ 23-04.3547-78Е.В стакан заливалось 500 мл. Упаривание велось в десять раз (до 50 мл). Процесс прямого электрона­грева проводился при постоянном напряжении. Па­раметры процесса для трех случаев представлены в табл. 2–4. Таблица 2 Яблочный сок Время,минТемпература,оСНапряжение,ВСила тока,АПлотность тока, А/м2Объем,м3∙103Площадь электрода в растворе, м202550316670,50,0018530–//–3,821110,50,00181050–//–4,826670,50,001815100–//–527780,50,001820–//––//–4,727490,4750,0017125–//––//–4,628400,450,0016230–//––//–4,529760,420,00151235–//––//–4,432160,380,00136840–//––//–4,333180,360,00129645–//––//–4,234310,340,00122450–//––//–437040,30,0010855–//––//–3,837700,280,00100860–//––//–3,741110,250,000965–//––//–3,645450,220,00079270–//––//–3,548610,20,0007275–//––//–3,350930,180,00064880–//––//–3,252290,170,00061285–//––//–2,950350,160,00057690–//––//–2,648150,150,0005495–//––//–2,553420,130,000468100–//––//–2,353240,120,000432105–//––//–2,255560,110,000396110–//––//–255560,10,00036115–//––//–1,855560,090,000324120–//–801,345140,080,000288125–//––//–1,247620,070,000252150–//––//–1,255560,060,000216155–//––//–1,161110,050,00018   Таблица 3 Свекольный сок Время, минТемпература, оСНапряжение, ВСила тока, АПлотность тока, А/м2Объем, м3∙103Площадь электрода в растворе, м202530422220,50,0018550–//–4,726110,50,001810100–//–5,530560,50,001815–//––//–528340,490,00176420–//––//–4,827780,480,00172825–//––//–4,526600,470,00169230–//––//–4,225360,460,00165635–//––//–3,823460,450,0016240–//––//–3,522610,430,00154845–//––//–319840,420,00151255–//––//–2,819440,40,0014460–//––//–2,719230,390,00140465–//––//–2,619010,380,00136870–//––//–2,518770,370,00133275–//––//–2,418520,360,00129680–//––//–2,318790,340,00122485–//––//–2,218520,330,00118890–//––//–217360,320,00115295–//––//––//–17920,310,001116100–//––//––//–18520,30,00108105–//––//––//–19840,280,001008110–//––//––//–20580,270,000972115–//––//––//–22220,250,0009120–//––//––//–23150,240,000864125–//––//––//–24160,230,000828130–//––//––//–25250,220,000792135–//––//––//–26460,210,000756140–//––//––//–27780,20,00072145–//––//––//–29240,190,000684150–//––//––//–30860,180,000648155–//–40–//–32680,170,000612160–//––//––//–34720,160,000576165–//––//––//–37040,150,00054170–//––//––//–39680,140,000504175–//––//––//–42740,130,000468180–//––//––//–46300,120,000432185–//––//––//–50510,110,000396190–//––//––//–55560,10,00036195–//––//––//–61730,090,000324200–//––//––//–69450,080,000288205–//–801,559520,070,000252210–//––//–146300,060,000216215–//––//–1,266670,050,00018 Таблица 4 Хвойный экстракт Время, минТемпература, оСНапряжение, ВСила тока, АПлотность тока, А/м2Объем, м3∙103Площадьэлектродарастворе, м2025305,228890,50,00185100–//–633330,50,001810–//––//–5,230730,470,00169215–//––//–5,130800,460,00165620–//––//–5,131480,450,0016225–//––//–5,133730,420,00151230–//––//–533870,410,00147635–//––//–4,833330,40,0014440–//––//–4,632760,390,00140445–//––//–4,634540,370,00133250–//––//–4,534720,360,00129655–//––//–4,435950,340,00122460–//––//–4,336200,330,00118865–//––//–4,337330,320,00115270–//––//–4,237640,310,00111675–//––//–4,137960,30,0010880–//––//–439680,280,00100885–//––//–3,839090,270,00097290–//––//–3,640000,250,000995–//––//–3,540510,240,000864100–//––//–3,441060,230,000828105–//––//–3,341670,220,000792110–//––//–3,242330,210,000756115–//––//–341670,20,00072120–//––//–2,636110,190,000684125–//––//–2,538580,180,000648130–//–402,235950,170,000612135–//––//–2,136460,160,000576140–//––//–237040,150,00054145–//––//–2,447620,140,000504155–//––//––//–51280,130,000468160–//––//––//–55560,120,000432165–//––//––//–60610,110,000396170–//––//–255560,10,00036175–//–702,164810,090,000324180–//––//–1,862500,080,000288195–//–801,559520,070,000252200–//––//–146300,060,000216205–//––//–1,266670,050,00018 В целом динамика концентрирования носит ли­нейный характер и может быть представлена линей­ной аппроксимацией (рис. 1–4).   Рис. 1. Динамика изменения объема по времени   Рис. 2. Изменение плотности тока в растворе яблоч­ного сока в зависимости от объема   Рис. 3. Изменение плотности тока в растворе све­кольного сока в зависимости от объема   Рис. 4. Изменение плотности тока в растворе хвой­ного экстракта в зависимости от объема Под действием электрического тока в среде элек­тролита происходит электрохимическая коррозия электродов. Устойчивость электродов в случае при­менения прямого электронагрева – вопрос, требую­щий самостоятельного детального исследования. При проведении описанного эксперимента первично было оценено поведение электродов из стали марки 12Х18Н10Т путем определения массы сухих элек­тродов до и после выпаривания.Взвешивание (с точностью 0,1 мгм) электродов до и после проведения упаривания растворов не по­казало ни «минусовой», ни «плюсовой» коррозии. Поверхность электродов приобрела из блестяще-матового, характерного для неполированной нержа­веющей стали использованной марки, темный цвет. Цвет определялся налетом осадка, легко стираемого салфеткой. Увеличения налета в процессе выпарива­ния не наблюдалось. Состав, динамику и условия об­разования налета предстоит определить в дальней­ших исследованиях. Концентрированные натуральные соки подверга­лись восстановлению дистиллированной водой до содержания сухих веществ (справочного), характер­ного для натуральных соков. Восстановленный сок подвергался инспекции в сравнении с оригиналом в проходящем свете, в области спектра 315–980 нм, на фотоэлектрическом концентрационном колориметре КФК-2. Светофильтры и кюветы для исследования оптической плотности подбирались в зависимости от цветности соков согласно методике, прилагаемой к прибору (фильтры для свекольного сока – красный, для яблочного и хвойного – фиолетовый). Кроме того, при визуальной оценке методом ультрамикро­скопии, основанным на явлении светорассеивания, установлено, что вопреки предположению визуально определяемое количество сгустков или частиц в упа­ренных прямым электронагревом соках снизилось, а также уменьшился средний размер оставшихся коа­гулятов по сравнению с определенным в исходном концентрате соков. Косвенно это свидетельствует о том, что прямой электронагрев не только не вызы­вает коагуляцию веществ в исследованных соках, но и оказывает диспергирующее действие.Увеличение напряжения (120 минута табл. 2; 155, 205 минуты табл. 3; 130, 175, 195 минуты табл. 4) было вызвано необходимостью поддержания рассеи­ваемой мощности (для поддержания динамики про­цесса) в упариваемом растворе, так как значение силы тока падало по мере испарения воды. Наблю­даемые на графиках скачки плотности тока являются следствием ступенчатого увеличения напряжения. Яблочный сок показал более интенсивный рост плотности тока в процессе уменьшения объема рас­твора, вероятно, вызванный большим количеством подвижных ионов макро- и микроэлементов в со­ставе, нежели в свекольном соке или хвойном экс­тракте, и низкой общей вязкостью. Однако в целом можно сделать вывод, что про­цесс омического нагрева соков требует автоматиче­ской корректировки тока и напряжения в случае вер­тикального размещения плоских электродов в рас­творе. Или же, что видится более целесообразным, необходимо провести исследования по размещению электродов в растворе таким образом, чтобы не из­менять площади поверхности электродов вне зави­симости от объема выпариваемого сока при перио­дическом ведении процесса. Все из исследованных растворов имеют ярко вы­раженную склонность к пенообразованию при выпа­ривании. Применение прямого электронагрева пока­зало возможность «мгновенного» прекращения пе­нообразования путем изменения подводимой мощ­ности, что принципиально невозможно при передаче тепла к выпариваемому раствору через теплопере­дающую стенку ввиду значительной инерционности системы. Следовательно, выпарной аппарат с пря­мым электронагревом потенциально представляется легко автоматизируемым, в том числе с возможно­стью исключить потерю целевого продукта из-за пе­нообразования, а малая инерционность прямого на­грева позволяет избежать перегрева, приводящего к потере термолабильных составляющих соков.