Сравнение экспериментального и расчётных распределений температуры жидкой среды при микроволновом термическом обеззараживании

С целью обеззараживания жидких сред применяют различные методы, например, термическое или ультрафиолетовое воздействие, озонирование, хлорирование и др. Однако эти методы зачастую оказываются малоэффективными или существенно энергозатратными. Термообработка с использованием микроволнового излучения имеет определённые преимущества перед указанными выше методами инактивации микрофлоры при соблюдении необходимого термического режима обработки, который позволяет контролировать температурные параметры жидкости. Эффективность действия микроволн определяется не только достижением необходимых температур обрабатываемой жидкости, но и оптимальным распределением температурного поля внутри жидкой среды. Исследованы два режима термообработки в микроволновой установке: стационарный, когда жидкость внутри электродинамической системы неподвижна, и нестационарный (проточный), когда жидкость непрерывно перемещается. Получены три распределения температуры жидкости по длине микроволновой установки: две теоретические зависимости для стационарного и проточного режимов и экспериментальное распределение, измеренное в стационарном режиме. Предложена методика расчёта распределения температуры нагреваемой проточной жидкой среды на основе электродинамической модели микроволновой установки в виде нагруженной длинной линии. В экспериментах по термообработке жидкости применена микроволновая установка типа бегущей волны с поперечным взаимодействием, ранее разработанная авторами для обработки твёрдого материала. Подробно описана практическая реализация измерения температуры жидкости, прошедшей термообработку в микроволновой установке в стационарном режиме, учтены технические ограничения измерения температуры в условиях интенсивного электромагнитного излучения. При сравнении расчётного и измеренного распределений температуры по длине электродинамической системы микроволновой установки расхождение рассчитанных и экспериментальных данных составило не более 7 %. Указано на резкое различие теоретических распределений температуры для двух режимов термообработки жидкой среды, которое необходимо учитывать при решении конкретных задач технологической микроволновой обработки. Полученные результаты представляют практический интерес при разработке устройств для микроволнового обеззараживания жидких сред в пищевой, микробиологической и фармацевтической промышленности, медицинской сфере, а также для обработки сточных вод.

1. Бреслов Б. Е., Бивалькевич А. И., Смирнов А. Д., Стрелков А. К. Эффективность и экономическая целесообразность промышленных методов обеззараживания сточных вод. Водоснабжение и санитарная техника, (1), 34–41 (2012). https://www.elibrary.ru/oorhtn

2. Грудинкин А. П., Волков С. В., Комаров А. Г., Левченко Д. А., Смирнов А. Д. Обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением. Водоочистка, (6), 22–31 (2013). https://www.elibrary.ru/pzvqql

3. Ихлов Б. Л., Шурыгин А. А., Дробкова В. А. Возможность бактерицидного действия СВЧ на штаммы Mycobacterium avium и Mycobacterium tuberculosis. Туберкулёз и болезни лёгких, 97(1), 25–27 (2019). https://doi.org/10.21292/2075-1230-2019-97-1-25-27 ; https://www.elibrary.ru/yxgjqd

4. Ихлов Б. Л., Мельниченко А. В., Ощепков А. Ю. Резонансное поглощение сверхвысокочастотного электромагнитного поля молекулами ДНК. Современные проблемы науки и образования: сетевой журнал, (6), 571 (2016). https://www.elibrary.ru/xibnhr

5. Шевченко Т. В., Мидуница Ю. С., Захарова Л. М. Влияние микроволнового воздействия на кисломолочные микроорганизмы. Фундаментальные исследования, (6-2), 271–274 (2014). https://www.elibrary.ru/swocej

6. Королев А. А., Тюрина С. Б., Тришканева М. В. Анализ применения микроволнового излучения в технологиях стерилизации растительного сырья. Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств, (3), 81–91 (2019). https://doi.org/10.17586/2310-1164-2019-12-3-81-91 ; https://www.elibrary.ru/cmiwzy

7. Ихлов Б. Л., Мельниченко А. В., Ощепков А. Ю. Действие сверхвысокочастотного электромагнитного поля на микроорганизмы. Вестник новых медицинских технологий, 24(2), 141–146 (2017). https://doi.org/10.12737/article_5947d3b2beb626.09180440 ; https://www.elibrary.ru/zdhmgv

8. Puligundla P., Abdullah S. A., Cho W., Jun S., Oh S. E., Ko S. Potentials of microwave heating technology for select food processing applications – a brief overview and update. Journal of Food Processing & Technology, 4(11), 1–9 (2013). https://doi.org/10.4172/2157-7110.1000278

9. Witkiewicz K., Nastaj J. F. Simulation strategies in mathematical modeling of microwave heating in freeze-drying process. Drying Technology, 28(8), 1001–1012 (2010). https://doi.org/10.1080/07373937.2010.497090

10. Родионова А. В., Белова М. В., Михайлова О. В., Александрова Г. А. Технология пастеризации молока комбинированным воздействием электромагнитных излучений разных длин волн. Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева, 78(2), 122–125 (2013). https://www.elibrary.ru/qbjpqr

11. Мамонтов А. В., Нефёдов В. Н., Назаров И. В., Потапова Т. А. Микроволновые технологии. НИИ ПМТ, Москва (2008). https://www.elibrary.ru/qmkllt

12. Окресс Э. СВЧ энергетика. В 3-х т. Т. 3. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике. Перевод с английского Алыбина В. Г., Музеус Л. А., Пастрона Э. Я. Под ред. Шлифера Э. Д. Мир, Москва (1971).

13. Гуляев Ю. В., Мещанов В. П., Елкин В. А., Кац Б. М., Комаров В. В., Коплевацкий Н. А., Лопатин А. А., Рытик А. П., Саяпин К. А., Байбурин В. Б., Чернышев С. Л. Разработка комплекса низкоинтенсивного микроволнового облучения водосодержащих биологических материалов и его применение. Успехи современной радиоэлектроники, 76(6), 5–12 (2022). https://doi.org/10.18127/j20700784-202206-01 ; https://www.elibrary.ru/hjvwqa

14. Лопатин А. А., Мещанов В. П., Саяпин К. А., Тома А. И. Взаимодействие микроволнового излучения с микробиологическими материалами: современные представления и перспективы исследований. Биомедицинская радиоэлектроника, 26(6), 6−16 (2023). https://doi.org/10.18127/j15604136-202306-02 ; https://www.elibrary.ru/syybsu

15. Гуляев Ю. В., Мещанов В. П., Кац Б. М., Коплевацкий Н. А., Лопатин А. А., Саяпин К. А., Ёлкин В. А., Комаров В. В., Байбурин В. Б., Рытик А. П. Воздействие импульсным СВЧ излучением на образцы пищевой продукции с целью увеличения показателей её микробиологической безопасности и сроков хранения. Проблемы особо опасных инфекций, (3), 70–74 (2022). https://doi.org/10.21055/0370-1069-2022-3-70-74 ; https://www.elibrary.ru/rzvcig

16. Kaczmarczyk L. S., Marsay K. S., Shevchenko S., Pilossof M., Levi N., Einat M., Oren M., Gerlitz G. Corona and polio viruses are sensitive to short pulses of W-band gyrotron radiation. Environmental Chemistry Letters, 19(6), 3967–3972 (2021). https://doi.org/10.1007/s10311-021-01300-0

17. Тащиев С. С., Денисова Т. В. Прикладные аспекты применения СВЧ-излучения в микробиологических исследованиях. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки, (5), 72–74 (2011). https://www.elibrary.ru/mziewd

18. Melandri M., Contarini M., Breccia A. New apparatus for toxic waste and sludge treatment and for plasma processing of fume by microwave power technique. Proc. of the Fourth World Congress on Microwave and Radio Frequency Applications, Austin, 7–12 November, 2004, pp. 55–57 (2004).

19. Игнатенко А. В. СВЧ-обезвоживание и детоксикация осадков сточных вод. Труды БГТУ. Серия 2, Химические технологии, биотехнологии, геоэкология, (2), 115–120 (2021). https://doi.org/10.52065/2520-2669-2021-247-2-115-120 ; https://www.elibrary.ru/vennsi

20. Li S., Li R., Tang Y., Chen G. Microwave-induced heavy metal removal from dewatered biosolids for cost-effective composting. Journal of Cleaner Production, (241), 1–9 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.118342

21. Архангельский Ю. С., Девяткин И. И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Изд-во Саратовского университета, Саратов (1983).

22. Wang N., Zoub W., Lia X., Lianga Y., Wang P. Study and application status of the nonthermal effects of microwaves in chemistry and materials science – a brief review. RSC Advances, (12), 17158–17181 (2022). https://doi.org/10.1039/D2RA00381C

23. Danesh P., Hong S. M., Moon K. W., Park J. K. Phosphorus and heavy metal extraction from wastewater treatment plant sludges using microwaves for generation of exceptional quality biosolids. Water Environment Research, 80(9), 784–795 (2008). https://doi.org/10.2175/106143008X276714

24. Артиков А. А., Остапенков А. М., Курбанов Ж. М., Саломов Х. Т. Электрофизические методы воздействия на пищевые продукты. Фан, Ташкент (1992).

25. Мамонтов А. В., Нефёдов В. Н., Хриткин С. А. Исследование распределения температуры стержней из полимерных композитных материалов при их термообработке с использованием микроволнового излучения. Измерительная техника, (4), 57–61 (2019). https://www.elibrary.ru/fxwmwt ; https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2019-4-57-61

26. Григорьев А. Д. Электродинамика и микроволновая техника. Лань, Санкт-Петербург (2007). https://www.elibrary.ru/qmrslz

27. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. Учебник для вузов по специальности «Электронные приборы». В 2-х т. Под ред. акад. Н. Д. Девяткова, 2-е изд., перераб. и доп. Т. 1. Техника сверхвысоких частот. Высшая школа, Москва (1970).

28. Шибико А. В. Исследование влияния СВЧ излучения на средства измерения температуры. Сборник трудов VI Всероссийской научно-практической конференции «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность», Томск, 23–27 мая 2016. Изд-во ТПУ, Томск, т. 1, с. 434–438 (2016).

29. Мамонтов А. В., Нефёдов В. Н., Хриткин С. А. Применение запредельных волноводов для пирометрических измерений. Измерительная техника, (7), 55–57 (2018). https://www.elibrary.ru/ylfbil