Влияние обработки слаботочного искрового разряда на диэлектрические и электрические характеристики растительного сырья
Автор: Соснин Максим Дмитриевич, Берестенко Егор Николаевич, Шорсткий Иван Александрович
Журнал: Вестник аграрной науки Дона @don-agrarian-science
Рубрика: Электротехнологии, электрооборудование и энергоснабжение агропромышленного комплекса
Статья в выпуске: 2 (62), 2023 года.
Бесплатный доступ
Работа посвящена исследованию диэлектрических и электрических свойств растительных материалов в диапазоне частот от 1 кГц до 100 кГц, обработанных слаботочным атмосферным искровым разрядом. Целью работы была оценка изменения величины диэлектрической проницаемости и электропроводности растительных материалов (яблоко и морковь) при различных режимах обработки и различной толщине образцов. Проницаемость или диэлектрические свойства пищевых материалов важны для понимания поведения этих материалов при воздействии на них электромагнитных полей в процессах переработки, воздействии электромагнитного поля или в других процессах, включающих электрофизическую обработку. Понимание этих свойств также перспективно для настройки и адаптации радиочастотных и микроволновых приборов. Для измерения диэлектрических и электрических свойств использовали измерительную ячейку с плоскопараллельными титановыми электродами. Обработка проводилась слаботочным атмосферным искровым разрядом с величиной тока от 1 мА до 4 мА. Установлено, что на диэлектрическую проницаемость и электропроводность большое влияние оказывают величина тока разряда обработки АИР. Диэлектрическая проницаемость и электропроводность материала коррелировали друг с другом и увеличивались с увеличением тока разряда от величины 1 мА до 4 мА, с последующим выходом на плато. С ростом толщины материала показатели диэлектрической проницаемости и электропроводности снижались. Для описания и прогнозирования связи между диэлектрическими и электрическими свойствами обрабатываемых АИР растительных материалов выведены соответствующие зависимости. Проведенные диэлектрические измерения предоставляют новую информацию о зависимости диэлектрических свойств растительных материалов от их толщины, величины тока разряда и плотности обработки АИР в частотном диапазоне.
Атмосферный искровой разряд, диэлектрическая проницаемость, электропроводность, растительный материал
Короткий адрес: https://sciup.org/140300211
IDR: 140300211 | УДК: 621.31: | DOI: 10.55618/20756704_2023_16_2_56-65
The effect of low-current spark discharge treatment on the dielectric and electrical properties of plant raw materials
The dielectric and electrical properties of plant materials in the frequency range from 1 kHz to 100 kHz treated with low-current atmospheric spark discharge (ASD) are investigated. The aim of the work was to evaluate the changes in the dielectric constant and electrical conductivity of plant materials (apple and carrot) under different processing modes and sample thickness. The permeability or dielectric properties of food materials are important for understanding the behavior of these materials when exposed to electromagnetic fields in processing processes, exposure to an electromagnetic field, or in other process-ses involving electrophysical processing. Understanding these properties is also promising for tuning and adapting radio frequency and microwave devices. To measure the dielectric and electrical properties, a measuring cell with plane-parallel titanium electrodes was used. The treatment was carried out by a low-current atmospheric spark discharge with a current value from 1 mA to 4 mA. It is established that the dielectric permittivity and electrical conductivity are greatly influenced by the magnitude of the discharge current of the air treatment. The dielectric permittivity and electrical conductivity of the material correlated with each other and increased with an increase in the discharge current from 1 mA to 4 mA, followed by a plateau. With an increase in the thickness of the material, the change in the dielectric constant and electrical conductivity decreased. To describe and predict the relationship between the dielectric and electrical properties of the plant materials processed by ASD, the corresponding dependencies are derived. The conducted dielectric measurements provide new information about the dependence of the dielectric properties of plant materials on the thickness, the magnitude of the discharge current and the density of air treatment in the frequency range.
Список литературы Влияние обработки слаботочного искрового разряда на диэлектрические и электрические характеристики растительного сырья
- Arshad R.N. et al. Electrical systems for pulsed electric field applications in the food industry: An engineering perspective // Trends in food science & technology. 2020. Т. 104. Р. 1–13. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2020.07.008.
- Исмаилов А., Назаров О., Хасанов Г. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов в производстве // Современные исследования. 2018. № 4. С. 122–125. EDN: YXBDEU
- Castro-Giráldez M. et al. Low-frequency dielectric spectrum to determine pork meat quality // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2010. Т. 11. № 2. Р. 376–386. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2010.01.011.
- El Khaled D. et al. Dielectric spectroscopy in biomaterials: Agrophysics // Materials. 2016. Т. 9. № 5. 310 р. https://doi.org/10.3390/ ma9050310.
- Морозов О.Г., Насыбуллин А.Р. Свойства сложно-периодических неоднородных систем в радиочастотных и оптических направляющих структурах // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2015. Т. 18. № 3–1. С. 16–22. EDN: VIDJPD
- Константинов В.Н. Применение диэлектрической спектроскопии (в диапазоне частот 200 МГц-20 ГГц с помощью коаксиального зонда с открытым концом) для определения качества плодов мускусной дыни и арбузов без разрушения образца // Инженерно-техническое обеспечение АПК. 2010. №. 1. С. 186–186. EDN: LAKUDP
- Soltani M., Alimardani R., Omid M. Evaluating banana ripening status from measuring dielectric properties // Journal of Food Engineering. 2011. Т. 105. № 4. Р. 625–631. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2011.03.032.
- Soltani M., Alimardani R., Omid M. Use of dielectric properties in quality measurement of agricultural products // Nature and Science. 2011. Т. 9. № 4. Р. 57–61.
- Baglat P. et al. Non-Destructive Banana Ripeness Detection Using Shallow and Deep Learning: A Systematic Review // Sensors. 2023. Т. 23. № 2. Р. 738. https://doi.org/10.3390/ s23020738.
- Kaur S., Randhawa S., Malhi A. An efficient ANFIS based pre-harvest ripeness estimation technique for fruits // Multimedia Tools and Applications. 2021. Т. 80. Р. 19459–19489. https://doi.org/10.1007/s11042-021-10741-2.
- Маслов А.В. и др. Изучение влияния комплексной растительной добавки на свойства мучных смесей и пшеничного теста // Техника и технология пищевых производств. 2022. Т. 52. № 3. С. 511–525. DOI: 10.21603/2074-9414-2022-3-2385. EDN: UBJCWH
- Шорсткий И.А., Худяков Д.А. Оценка эффективности сушки биоматериала с предварительной обработкой импульсным электрическим полем // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2018. Т. 80. №. 4 (78). С. 49–54. DOI: 10.20914/2310-1202-2018-4-49-54. EDN: ZBJVQT
- Benning R., Birrell S., Geiger D. Development of a multi-frequency dielectric sensing system for real-time forage moisture measurement // 2004 ASAE Annual Meeting. – American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2004. Р. 041100 doi: 10.13031/2013.18474
- Renshaw R.C., Dimitrakis G.A., Robinson J.P. Mathematical modelling of dielectric pro-perties of food with respect to moisture content using adapted water activity equations // Journal of Food Engineering. 2021. Т. 300. Р. 110538. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110538.
- Guo W. et al. Maturity effects on dielectric properties of apples from 10 to 4500 MHz // LWT-Food Science and Technology. 2011. Т. 44. № 1. Р. 224–230. https://doi.org/10.1016/j.lwt. 2010.05.032.
- Agoua R.S. et al. Impact of Electric Arcs and Pulsed Electric Fields on the Functional Properties of Beta-Lactoglobulin // Foods. 2022. Т. 11. № 19. Р. 2992. DOI: 10.3390/foods11192992.
- Совлуков А.С. Волноводные микроволновые методы измерения влагосодержания диэлектрической жидкости с инвариантностью к ее диэлектрической проницаемости // Датчики и системы. 2020. № 12. С. 47–53. DOI: 10.25728/datsys.2020.12.5. EDN: GNLDNR.
- Shorstkii I. et al. Correlation of the cell disintegration index with Luikov's heat and mass transfer parameters for drying of pulsed electric field (PEF) pretreated plant materials//Journal of Food Engineering. 2022. Т. 316. Р. 110822. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2021.110822
- Zhu L.T. et al. Biomass thermal conductivity measurement system design //Journal of Forestry Engineering. 2020. Т. 5. № 2. С. 97–102. DOI: 10.13360/j.issn.2096-1359.201904020
- López-Gámez G. et al. Enhancing phenolic content in carrots by pulsed electric fields during post-treatment time: Effects on cell viability and quality attributes // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2020. Т. 59. Р. 102252. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2019.102252
