УДК 60

ПРИМЕНЕНИЕ МЕМБРАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ РАЗДЕЛЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ ЦЕННЫХ СВОЙСТВ ПЛОДОВ

Мищенко Михаил Валерьевич1, Папилин Петр Иванович2, Дзюбенко Олег Леонидович3
1Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж), старший преподаватель 24 кафедры 2 факультета, кандидат технических наук
2Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж), старший преподаватель 24 кафедры 2 факультета, кандидат технических наук, доцент
3Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж), старший преподаватель 24 кафедры 2 факультета, кандидат педагогических наук

Аннотация
В данной статье рассматривается возможность применения мембранной технологии разделения атмосферного воздуха для сохранения ценных свойств плодов.

Ключевые слова: мембранный способ разделения атмосферного воздуха, система модифицирования атмосферы хранилищ


THE USE OF MEMBRANE SEPARATION TECHNOLOGY OF AIR TO MAINTAIN THE VALUABLE PROPERTIES OF THE FRUIT

Mishchenko Mihail Valerevich1, Papilin Petr Ivanovich2, Dzyubenko Oleg Leonidovich3
1Air Force Engineering University (Voronezh), Senior Lecturer, Department 24 of 2 faculty, Ph.D.
2Air Force Engineering University (Voronezh), Senior Lecturer, Department 24 of 2 faculty, Ph.D., associate professor
3Air Force Engineering University (Voronezh), Senior Lecturer, Department 24 of 2 faculty, PhD

Abstract
This article discusses the possibility of using membrane separation technology of air to maintain the valuable properties of the fruit.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Мищенко М.В., Папилин П.И., Дзюбенко О.Л. Применение мембранной технологии разделения атмосферного воздуха для сохранения ценных свойств плодов // Современные научные исследования и инновации. 2011. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2011/10/4898 (дата обращения: 03.06.2017).

Результаты медико-биологических исследований подтверждают, что одной из основных причин пато­логических процессов в организме человека, вызывающих преждевременное старение и развитие многих забо­леваний, в том числе сердечно-сосудистых и он­кологических, является избыточное накопление в организме свободных радикалов кислорода, имеющих неспаренные электроны, и поэтому обладающих высокой химической активностью [2 - 4, 6, 12, 13, 15, 17, 18].

Свободные радикалы образуются в организме при жизнедеятельности клетки, их избыток появля­ется в результате вдыхания загрязненного воздуха, употребления некачественной воды и пищи, лекарственных препаратов, воз­действия различных видов излучения, нервно­го, эмоционального и физического перенапряже­ния. Из-за ухудшения экологической обстановки возникают все новые и новые источники свободных радикалов, поэтому проблема снижения их пагубного воздействия на организм человека приобретает особую актуальность.

Существуют вещества способные нейтрализовать свободные радикалы и тем самым защитить человека от их разрушительного действия, данные вещества являются антиоксидантами [2 - 4, 6, 12, 15, 17]. Однако, при избытке свободных радикалов и недостатке антиоксидантов в организме баланс нарушается в пользу свободных радикалов, что приводит к так называемому оксидантному, или окислительному стрессу [3].

В организме человека образуется ряд эндогенных антиоксидантов, но он не способен самостоятельно синтезировать весь необходимый комплекс антиокислительных веществ, поэто­му значительная их часть должна поступать с пищей, богатой антиокислительным комплексом.

Известно, что свежие плоды и ягоды — это богатый источник витаминов, минеральных веществ, каротиноидов, фенольных соединений, ферментов, многие из которых являются антиоксидантами [6]. Очевидно, что уменьшение потери антиокислительных свойств плодов при их хранении является задачей первостепенной важности.

Качество сельскохозяйственной продукции при хранении в зна­чительной мере определяется составом и температурой газовой среды в хранилищах. При существующих способах хранения фруктов в холодильных камерах из-за высокого содержания кислорода (21%) происходит быстрое переокисление липидов мембран и их разрушение, что приводит к их преждевременному старению, перезреванию и, как следствие, поражению многими заболеваниями и грибными гнилями. Эффективным для сохранения качества плодов в течение длительного времени оказалось хра­нение их в модифицированной атмосфере (МА), с низким (1-3 %) уровнем кислорода и повышенным (1-5 %) содержа­нием углекислого газа. Наилучшие результаты дости­гаются при хранении в атмосфере с ультранизким со­держанием кислорода (0,8-1,2 %), так как при недо­статке кислорода радикально замедляются процессы разрушения мемб­ран клеток [6, 7 – 9, 21].

Экспериментально установлено, что для хранения и транспортирования скоропортящихся плодов использование МА весьма эффективно. Сроки хранения плодов увеличи­ваются на 2,5—3 месяца по сравнению с их хранени­ем в холодильниках [1, 5, 10, 19]. Значительно снижается естественная убыль после 180—220 суток хранения: яблок —до 0,8% (вместо 4,5%), моркови — до 2,6% (вместо 11,5%), лука —до 2% (вместо 8,8%). При хранении ягод в МА, содержащей 20-25 %СО2, и 5-6 % О2, в условиях охлаждения, представляется возмож­ность сохранить ягоды черной смородины до 60 суток, красной смородины до 50, ягоды жимолости до 15 суток. В атмосфере, содержащей 15-20 % СО2, и 5-6 % О2, в условиях охлаждения, ягоды малины можно хранить до 2 недель. Ягоды земляники могут храниться в МА (5-6 % СО2, 4-6 % О2) до 7 – 10 суток.

Указанные условия хранения и транспортирова­ния скоропортящихся плодов и ягод обеспечивают хорошую сохраняемость не только товарных и пище­вых качеств, но и антиокислительных.

Существует несколько способов создания и поддержания условий МА, однако оптимальный способ должен сочетать несколько важных качеств, среди которых низкая стоимость, простота эксплуатации и высокая надежность системы, низкое энергопотребление, компактность (для монтирования систем МА на транспортных средствах), а также достаточный уровень пожарной и экологической безопасности.

В начале 60-х годов в мировой практике стали при­меняться первые установки для снижения в камерах содержания О2 - так называемые генераторы инерт­ного газа, основанные на принципе «выжигания» кислорода. По способу работы они подразделяются на два типа — с открыто-факельным горением, и с каталитическим окислением газа. Применение катализато­ров в таких генераторах снижает вероятность наличия в выходном потоке CO, этилена, серы, оксидов азота, продуктов неполного сгора­ния газа. В большинстве случаев осуществлялось именно каталитическое горение, так как в противном случае невозможно обеспечить сжигание топлива при низких концентра­циях кислорода.

Генераторы, основанные на сжигании газа, имели ряд существенных недостатков. Во-первых, в их вы­ходных потоках содержится большое количество СО2 (12-13 %), которое необходимо удалять перед пода­чей в камеру. Во-вторых, при неправильной настрой­ке в выходном потоке присутствуют продукты неполного сгорания топлива, что нежелательно для хранимой продукции. В третьих, использование газа и сам процесс горения требуют повышенных мер безопасности.

В странах Западной Европы и Северной Америки некоторое время использовали генераторы, основан­ные на расщеплении аммиака [11, 20]. В генераторах тако­го типа при высокой температуре концентрированный ам­миак расщепляется на азот и водород. Последний вступает в реакцию с кислородом газовой среды каме­ры. В ре­зультате возвращаемый в камеру после генератора газовый поток состоит в основном из азота и паров воды:

4NH® 2N+ 6H2 ,      6H+ 3O® 6H2O.

В результате этой реакции не образуются ни СО2, ни ка­кие-либо углеводороды, однако примене­ние концентрированного аммиака требует повышенных мер безопасности, а выходной поток такого генератора имеет очень высо­кую температуру, что требует дополнительных техни­ческих средств для его охлаждения. К тому же стоимость таких генераторов выше, чем пропановых, и поэтому они не получили широкого распространения.

Начиная с середины 80-х годов прошлого века, наибольшее распространение получил способ создания МА путем заполнения хранилища азотом, являющимся продуктом разделения атмосферного воздуха на воздухоразделительных установках (ВРУ). Использование жидкого и газообразного азота не требует больших капитальных затрат и является весьма эффективным для снижения содержания кислорода в камерах [11]. С помощью системы жидкого азота можно обеспечить создание МА достаточно быстро даже в камерах больших разме­ров, поскольку они способны подавать до 550 м3/ч газифицированного азота. Использование жидкого азота рационально, если его источником служит промышленная ВРУ, не входящая в состав системы МА, т. к. жидкий азот наиболее удобен при транспортировании. Однако часто отсутствует возможность использования привозного азота в виду значительного удаления хранилищ от промышленных центров или расположения их на транспорте. В этом случае, возникает необходимость включения ВРУ малых производительностей в состав комплексов создания и регулирования МА.

Современные ВРУ работают на основе трех основных способов разделения воздуха: криогенный, адсорбционный и новый – мембранный способ. Подавляющее большинство установок используют способ низкотемпературной ректификации жидкого воздуха (криогенный способ), с применением циклов низкого и среднего давления, использование цикла высокого давления, учитывая его малую производительность, высокую стоимость оборудования, крайне ограничено специфическими областями. Затраты энергии при использовании криогенного способа обусловлены прежде всего работой по изменению агрегатного состояния атмосферного воздуха (ожиженю), что необходимо для осуществления тепломассообменного процесса ректификации жидкого воздуха.

Незначительная часть установок (в основном зарубежных) использует адсорбционный способ разделения воздуха. Данный способ основан на изменении поглотительных свойств адсорбентов по целевому компоненту смеси при изменении температуры и давления. Технологически он представляет собой непрерывное чередование циклов адсорбции (поглощения) и десорбции (регенерации адсорбента) и позволяет получать кислород высокой (до 99,99% и более) чистоты. Энергетические затраты складываются из затрат на сжатие и нагрев технологического воздуха с целью обеспечения смены циклов.

Пока еще не получил достаточного распространения но все же используется мембранный способ разделения воздуха. Развитие данного нового способа разделения основанного на селективных свойствах полупроницаемых мембран связано, прежде всего, с синтезом новых полимерных пленок, сложной композиционной и асимметричной структуры, характеризующихся высокими значениями проницаемости и селективности по целевому компоненту – кислороду. Разделение на мембране достигается за счет различия в скоростях проницания через материал мембраны различных компонентов смеси. При этом движущей силой процесса является разность химических потенциалов веществ по обе стороны мембраны, что на практике выражается в создании на ней перепада давления. Энергия, потребляемая воздухоразделительными установками мембранного типа, расходуется на сжатие воздуха [14]. При этом рабочий диапазон давлений в мембранных аппаратах находится в области низкого давления (0,6…0,8 МПа), что значительно снижает стоимость установки. Допустимые рабочие температуры современных полимерных полупроницаемых мембран эквивалентны температуре окружающей среды (до +50°С) [16], что не требует принятия дополнительных (кроме стандартных систем охлаждения компрессорного оборудования) мер по охлаждению технологического воздуха.

Современный уровень развития мембранной технологии газового разделения позволяет сделать вывод о конкурентоспособности мембранного по отношению к другим способам разделения воздуха, и принимая во внимание неоспоримые преимущества способа мембранного разделения, такие как:

-         низкие капитальные затраты и высокий уровень пожарной безопасности (за счет отсутствия сложных аппаратов работающих в условиях высоких давлений и криогенных температур),

-         низкие эксплуатационные затраты и высокий уровень экологической безопасности (благодаря экономичности мембранного способа, отсутствию агрегатов имеющих малый ресурс и не использованию в технологическом процессе агрессивных и ядовитых веществ),

-         быстрый запуск (выход на рабочий режим) и остановка процесса,

-         легкость управления чистотой продукта без переделки оборудования,

-         простая доработка схемы (благодаря модульности аппаратов), и др.,

можно с уверенностью утверждать, что мембранный способ разделения атмосферного воздуха с целью использования в системах модифицирования атмосферы хранилищ весьма перспективен.


Библиографический список
  1. Антропова В. П., Генель С. В. // Пластические массы. 1977, №4.
  2. Барабой В.А. Растительные фенолы и здоровье че­ловека. – М.: Наука, 1984.
  3. Бета-каротин и витамины-антиоксиданты. – М., 1997. МДТ.
  4. Болдырев А.А. Биологические пределы жизнедея­тельности // Природа. 2000, № 9.
  5. Генель С. В., Дьяконова В. П., Кузнецова А. А. // Консервная и овощесушильная промышленность. 1974, №10.
  6. Гудковский В. А. Антиокислительные (целебные) свойства плодов и ягод и прогрессивные методы их хранения. // Хранение и переработка сельхозсырья. 2001. №4.
  7. Гудковский В.А. Хранение плодов. – Алма-Ата: Кайнар, 1978.
  8. Гудковский В.А., Ильинский А.С. Состояние и пути совершенствования технологий хранения фруктов в России / Материалы МНПК «Садоводство и виноградарство 21 века» (07.09.1999 г.) – Краснодар, 1999.
  9. Гудковский В.А. Проблемы и перспективы обеспе­чения свежими фруктами и повышения состояния здоровья людей / Материалы международной конференции. Под редакци­ей акад. В.И. Кашина. – М., 2000.
  10. Дубяга В.П., Перепечкин Л.П. Полимерные мембраны-М.: Химия, 1981.
  11. Ильинский А. С. Тенденции совершенствования и использования технических средств для хранения фруктов и овощей в регулируемой атмосфере // Хранение и переработка сельхозсырья. 2001. №7.
  12. Каликинская Е. Антиоксиданты – защита от ста­рения и болезней // Наука и жизнь, 2000. № 8.
  13. Карпер Д. Не старейте! / Пер. с англ. Е.А. Мартинкевич; 2-е изд., стереот. – Мн.: ООО «Попурри», 1999.
  14. Лэсей Р. Е., Лоеб С. Технологические процессы с применением мембран: Пер. с англ. Под ред. к.х.н. Мазитова Ю. А.- М.: Мир, 1976.
  15. Обербайль К. Заново родиться с помощью биове­ществ / Пер. с нем. В. Рубцова. – М.: КРОН-ПРЕСС, 1997.
  16. Отчет по НИР №4400/301121 “Исследование путей построения системы одновременного получения кислорода и азота из атмосферного воздуха с использованием криогенной и мембранной технологии” (Шифр “Мочес”): Под ред. д.т.н. Баркова Б. В. – М.: ВАТУ, 2001.
  17. Рюбен К. Антиоксиданты / Пер. с англ. Е. Кожи­ной. – М.: КРОН-ПРЕСС, 1998.
  18. Симонов Г. Как дожить до 120 лет, или Новая веч­ность/Пер. с фр.
  19. Ушакова М. И., Никитаев А. М. – М.: Колос, 1974.
  20. Bishop D. Controlled atmosphere storage / In: Cold and chilled storage technology. – Blackie and Son Ltd. London, 1990.
  21. Gudkovski У.A. Low oxygen atmosphere to maintain apple quality in storage. Second workshop on Pome fruit quality, Bonn, Germany, 1996.


Все статьи автора «Дзюбенко Олег Леонидович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Один комментарий к “Применение мембранной технологии разделения атмосферного воздуха для сохранения ценных свойств плодов”

  1. 03.07.2014 в 19:09

    Отлично Все, но где бы приобрести такую пленку-мембрану?

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: