Авторы: Мищенко М. В., Папилин П. И., Дзюбенко О. Л.
Источник: Электронный научно–практический журнал «Современные научные исследования и инновации» – 2011, № 6.
Мищенко М. В., Папилин П. И., Дзюбенко О. Л. Применение мембранной технологии разделения атмосферного воздуха для сохранения ценных свойств плодов. В данной статье рассматривается возможность применения мембранной технологии разделения атмосферного воздуха для сохранения ценных свойств плодов.
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.
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: