Skip to Content

ЭФФЕКТЫ БАРООБРАБОТКИ

Аппарат под названием «гидростат» был создан в Институте физики металлов УрО РАН (тогда УНЦ АН СССР) в 1970-е годы и предназначался для обработки различных порошковых материалов жидкостью высокого давления. Для своего времени он был передовым: в рабочем пространстве объемом около 5 литров создавалось давление в 250 МПа (около 2500 атмосфер). Гидростат полностью удовлетворял потребности бурно развивавшегося тогда нового направления — порошковой металлургии и использовался для компактирования образцов из различных металлических порошков и гранул, чтобы повысить их плотность перед спеканием. Гидростат с успехом демонстрировался на различных, в том числе международных, выставках. После одной из них польская фирма «Унитра» купила у ИФМ эту установку, а на выставке в Лейпциге (Германия) конструкция гидростата была отмечена Золотой медалью.
Сейчас гидростаты активно используются в лаборатории прочности ИФМ УрО РАН. К примеру, совместно с коллегами из Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН проведены эксперименты по формированию «пробирки» из высокотвердых нанопорошков на основе лития с различными добавками — прообраза литий-ионного аккумулятора следующего поколения, разработана методика компактирования циркониевой керамики для Института электрофизики, а для Кировградского завода твердых сплавов проведены эксперименты по прессованию изделий из высокотвердых порошков на основе вольфрама и кобальта.
Однако ученых не оставляло ощущение, что их технологии могут быть полезными где-то еще, в тех областях, о которых металловеды и не подозревают. И они нашлись. Как это произошло, рассказал зав. лабораторией прочности ИФМ доктор технических наук Алексей Юрьевич Волков.
— Однажды на остановке «Академическая» я наблюдал, как водитель троллейбуса, забравшись на крышу, выбивал графитовые контакты, чтобы заменить их новыми. Внизу валялись разбившиеся при ударе графитовые щетки, в теле которых были хорошо видны различные дефекты: мелкие пузырьки и трещины. Мы предложили руководству трамвайно-троллейбусного управленияг.Екатеринбурга провести эксперимент по дополнительной барообработке таких щеток. Выяснилось, что низкий ресурс графитовых щеток приводит к их огромному расходу в городском троллейбусном парке, насчитывающем 250 машин, поэтому даже незначительное повышение ресурса щеток могло бы значительно облегчить эксплуатацию троллейбусов и, возможно, снизить расходы на их содержание. Мы обработали несколько пар графитовых токосъемников высоким гидростатическим давлением, а представители ТТУ показали себя настоящими экспериментаторами. Для оценки ресурса щеток был выбран кольцевой маршрут № 8 на Уралмаше. Для чистоты эксперимента следом за троллейбусом с экспериментальными токосъемниками шел троллейбус с обычными.После каждого круга щетки (и экспериментальная и контрольная) снимались и обмерялись. Выяснилось, что в результате обработки высоким давлением ресурс щеток увеличился с 260 до 1360 км, т.е. более чем в 5 раз. После получения такого результата руководство ТТУ неоднократно обсуждало с нами различные варианты внедрения барообработки графитовых контактов на площадях ИФМ или ТТУ. Однако, по нашему мнению, задача науки — выявить проблему и найти путь ее решения. В данном случае мы показали, что завод — производитель щеток выпускает продукцию чрезвычайно низкого качества.
— Однако вы продолжили проводить эксперименты в прикладных целях?
— Да, причем в областях, весьма далеких от физики металлов. Заместитель директора мясокомбината ООО «Черкашин и партнеры» И.П. Кирьянов рассказал нам о проблемах, с которыми сталкивается предприятие при производстве буженины, срок годности которой составляет 5 суток. Доставка товара от момента изготовления до прилавка магазина занимает 2–3 суток, так что магазинам просто невыгодно заниматься этим дорогим, но скоропортящимся деликатесом.
Мы предложили провести совместные исследования сотрудникам кафедры пищевых биотехнологий Уральского государственного экономического университета. Зав. кафедрой С.Л. Тихонов быстро собрал команду из студентов УрГЭУ, и мы наметили план исследований. Побывав в Институте мясной промышленности в Москве, Сергей Леонидович выяснил, что за рубежом барообработка пищевых продуктов — бурно развивающаяся отрасль пищевой индустрии, и несколько аспирантов института уже работают в Германии по этой тематике. Там оптимальным давлением для барообработки мясных продуктов считается 500 МПа. А мы к тому времени уже провели эксперименты в интервале от 250 до 800 МПа. При проведении и анализе результатов таких исследований требуется биологическое сопровождение. Эту часть работы взяла на себя аспирантка УрГЭУ Виктория Коткова, которая стала одним из немногих специалистов-биологов в области барообработки различных мясных продуктов. Сейчас она готовит к защите кандидатскую диссертацию по этой тематике.
Первые эксперименты по барообработке мясных продуктов в ИФМ были проведены на сосисках, затем была работа с охлажденным мясом. Сейчас мы экспериментируем с барообработкой куриного фарша, что представляет интерес для региональных товаропроизводителей. Эксперименты проводятся следующим образом. Продукция делится на две части, одна из которых является контрольной, а другая обрабатывается высоким давлением. Перед барообработкой образец упаковывается в специальную оболочку, которая передает на образец давление рабочей жидкости, создаваемое в гидростате насосом высокого давления. Здесь возникает один из основных вопросов в пищевой индустрии: меняются ли при этом органолептические свойства продукта? Сразу ответим: после барообработки не изменяется ни один из показателей: цвет, запах, консистенция продукта остаются прежними. Не надо также думать, что из продукта выжимается вся жидкость. Как известно, мясо примерно на 85% состоит из воды. Поэтому барообработка в данном случае — это обработка жидкости жидкостью.
Затем контрольные и опытные образцы отправляются в СЭС, где исследуются микробиологические, токсикологические и физико-химические показатели. Конечно, осуществить все это невозможно без финансовой поддержки. Здесь нам очень помогает грант РФФИ № 18-016-00082, проходящий по теме «Сельскохозяйственные науки». Вероятно, это первый в истории ИФМ грант РФФИ в такой экзотической для физического института области.
— И каковы результаты исследований?
— Мы сделали однозначный вывод: барообработка повышает срок годности мясных продуктов более чем в 2 раза. Кстати, указанное в зарубежных патентах «оптимальное» давление обработки в 500–600 МПа сильно завышено. Обработка при меньшем давлении дает сопоставимые сроки годности, но его легче реализовать с технической точки зрения. Фирма СИНТО провела маркетинговое исследование нашей технологии барообработки пищевых продуктов. Оказалось, что это совершенно никем не занятая ниша российской экономики. В то же время анализ зарубежного рынка выявил взрывной рост производства и соответственно использования гидростатов. Очевидно, в данном случае налицо удачное сочетание потребностей рынка и наличия у науки соответствующих разработок. Сейчас директор фирмы СИНТО А.П. Ракевич занимается созданием в ИФМ малого инновационного предприятия, направленного на коммерциализацию научных разработок.
— Сельскохозяйственная тематика имела продолжение?
— Да, возникло еще одно направление: барообработка семян для увеличения скорости прорастания и урожайности растений. И инициировал его доклад члена-корреспондента (а ныне академика РАН) В.И. Лысака (Волгоград) на проходившем в Екатеринбурге XX Менделеевском съезде.Специалист по сварке взрывом, Владимир Ильич рассказал в частности о том, что по просьбам аграриев он и его сотрудники периодически проводят эксперименты по ударному (взрывному) нагружению семян. Ванна, на дне которой размещен семенной материал, наполняется водой, взрывчатка подвешивается в центре объема, взрыв вызывает скачкообразное увеличение давления. При удачном подборе давления (соотношения массы взрывчатки и объема ванны) скорость прорастания пшеницы увеличивается в несколько раз.
Продолжительность барообработки семян в ходе взрывного нагружения составляет миллисекунды. В гидростате набор давления и его сброс занимает несколько минут, при этом можно регулировать продолжительность его воздействия на образцы. В качестве экспериментального материала мы взяли семена нескольких сортов редиса и томатов. Как известно, в какой бы области ни работали уральские ученые, практически все они — большие специалисты в вопросах садоводства и огородничества. В эти исследования с энтузиазмом включился сотрудник лаборатории прочности ИФМ, кандидат физико-математических наук Н.А. Кругликов. Более того, ему удалось заинтересовать ими свою дочь Любу. Школьница ведет дневник наблюдений, пытается обобщить полученные данные и по праву является соавтором статьи и ряда тезисов докладов на различных конференциях. Большую помощь нам оказывает сотрудник Ботанического сада УрО РАН кандидат биологических наук А.Г. Быструшкин.
Результаты мы получили неоднозначные. К примеру, можно сделать осторожный вывод, что барообработка увеличивает скорость прорастания редиса, однако его урожайность, скорее всего, не возрастает. С семенами томатов дело обстоит совершенно иначе. Давление действует на них угнетающе: доля непроросших семян резко увеличивается, и скорость развития растений замедляется. Зато урожайность с куста томатов, прошедших барообработку, в разы превышает таковую у контрольных растений. Вероятно, это происходит потому, что воздействие высоким давлением — это шок для растения и не каждое может его выдержать, выживает только сильнейший. В общем, полученные результаты требуют перепроверки с точки зрения статистики.
В процессе работы с семенами открылось еще одно возможное направление исследований. Семена перерабатывают для получения различных пищевых продуктов, однако их пищевую ценность значительно снижают грибки и микроорганизмы. Так, большая часть злаковых заражена фузариозом — патогенным грибком, яд которого опасен для человека. Такое зерно нельзя использовать в пищу. Проведенные Н.А. Кругликовым эксперименты показали, что обработка высоким гидростатическим давлением превращает все зерна в хлопья и подавляет рост грибков. Здесь также необходимы дальнейшие исследования.
— В каких еще областях вы проводили эксперименты?
— В области деревопереработки. Дело в том, что прочностные свойства широко распространенных у нас сосны и березы далеко недостаточны, а переход на дуб или бук вызывает рост стоимости изделий. Возникла идея модифицировать структуру древесных пород путем их уплотнения и/или введения различных наполнителей. Эксперименты проводились с образцами березы и липы. После барообработки объем экспериментальных образцов уменьшился приблизительно в два раза. Береза после барообработки стала тонуть (т.е. мы получили аналог железного дерева), а липа с исходно меньшей плотностью практически полностью ушла под воду. Еще более интересные результаты были получены при обработке древесины окрашенным эпоксидным компаундом. Барообработка любых образцов всегда проводится в чехлах (как правило, из резины или силикона). Если в этот чехол предварительно залить тонирующий состав, то в ходе барообработки им пропитается весь объем пористого образца, в данном случае древесины. Если в чехле будет эпоксидный компаунд (с красителем или без), то после барообработки им будут заполнены все имеющиеся в образце поры. Получается достаточно тяжелая, отдаленно напоминающая пластмассу и прочная, как камень, вещь — идеальная заготовка необычного украшения, а имеющиеся в любой древесине дефекты и годовые кольца дают интересные цветовые переходы и комбинации узоров. Прочностные свойства такой модифицированной древесины достаточно высоки, что может быть использовано в технике.
Итак, барообработка — это технология, которая сообщает известным материалам и продуктам необычные свойства. Мы готовы к сотрудничеству с коллективами из любой отрасли науки. К примеру, барообработку можно применить для дезинфекции медицинских препаратов и инструментов. Известно, что разные микроорганизмы по-разному реагируют на одно и то же давление. Поэтому можно подобрать такое значение давления, при котором одни бактерии практически погибают, а другие неплохо себя чувствуют. Барообработка также может представлять интерес для химиков с точки зрения изменения структуры веществ. Так, длительное время для нас оставался невыясненным вопрос о том, почему чехлы, изготовленные из полиэтилена, в ходе барообработки всегда лопаются. Ответ нашелся после ознакомления с результатами исследований В.Д. Киселева — химика-органика из Казани. Он показал, что барообработка обратимо изменяет структуру полиэтилена, делая его хрупким только при наличии высокого давления. Кроме того, недавно стало известно, что при высоком давлении сероводород и соединения на его основе становятся сверхпроводниками с рекордно высокими температурами сверхпроводящего перехода. Это пример из совершенно другой области, но почему бы не попробовать?
Подготовила
Е. Понизовкина
Внизу на с. 6: участники экспериментов по гидростатической обработке пищевых продуктов около гидростата. Слева направо: кандидат физико-математических наук Н.А. Кругликов (ИФМ), доктор технических наук А.Ю. Волков (ИФМ), аспирант В.В. Коткова (УрГЭУ) кандидат технических наук Б.И. Каменецкий (ИФМ), ведущий технолог А.В. Александров ( ИФМ);
на с. 7 вверху — Люба Кругликова у гидростата; внизу — кандидат биологических наук А.Г. Быструшкин (Ботанический сад УрО РАН) проводит эксперименты в климатической камере
Год: 
2019
Месяц: 
март
Номер выпуска: 
5-6
Абсолютный номер: 
1191
Изменено 26.03.2019 - 16:42


2012 © Российская академия наук Уральское отделение
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
makarov@prm.uran.ru +7(343) 374-07-47