Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор традиционных способов стерилизации консервов 13
1.1 Современное состояние отечественного рыбоконсервного производства 13
1.2 Основные сведения о технологическом процессе стерилизации консервов 15
1.2.1 Способы стерилизации 16
1.2.2 Требуемая (нормативная) летальность 17
1.2.3 Фактический стерилизующий эффект 18
1.2.4 Режимы стерилизации 22
1.3 Технологический процесс стерилизации консервов в водной среде .25
1.4 АналиЗг процесса регулирования температуры при традиционном способе стерилизации консервов 28
1.6 Критический анализ результатов обзора литературы 35
1.7 Постановка цели и задачи исследования 37
2 Объекты, методы исследования и организация эксперимента 39
2.1 Программно-целевая модель исследований 39
2.2 Объекты исследования? 40
2.2.1 Консервы из печени гидробионтов 40
2.2.1.1 Режимы стерилизации консервов из печени рыб 41
2.2.1.2 Новый вид тары при стерилизации консервов - банка Impress 44
2.2.3 Стерилизационная установка АВК-ЗОМ 45
2.2.3.1 Особенности управления стерилизационной установкой 47
2.2.3.2 Концептуальная модель теплообмена в стерилизационной установке АВК-ЗОМ при стерилизации в водной среде. 49
2.2.3.3 Стерилизационная камера автоклава АВК-ЗОМ при стерилизации в воде. 50
2.3 Методы исследования 53
2.3.1 Методы исследования сырья и стерилизованных консервов 53
2.3.1.1 Методы исследования сырья 53
2.3.1.2 Методы исследования качества стерилизованных консервов 53
2.3.1.2.1 Органолептическая оценка качества консервов с использованием метода балльных шкал 53
2.3.1.2.2 Сравнительная оценка качества консервов с использованием профильного метода 56
2.3.2 Методы исследования объектов систем автоматического регулирования 57
2.3.2.1 Методы исследования объектов с распределенными параметрами 57
2.3.2.2 Итерационные методы оптимизации 59
2.3.2.3 Численный метод решения дифференциальных уравнений 60
2.4 Условия и организация экспериментов 61
2.4.1 Определение наименее прогреваемой области банки Impress 61
2.4.3 Получение переходных характеристик температуры стерилизациоііной камеры автоклава АВК-30 62
2.4.4 Экспериментальное подтверждение гипотезы о равномерности температурного поля в автоклаве АВК-ЗОМ при стерилизации в водной среде при нагреве и охлаждении 63
2.5 Выбор аппаратного и программного обеспечения для проведения экспериментов 63
2.6 Выбор направления модернизации способов стерилизации консервов 64
3 Результаты исследований и их обсуждение 68
3.1. Результаты исследования химического состава печеночного сырья 68
3.2 Исследование наименее прогреваемой области банки Impress 68
3.2.1 Определение положения наименее прогреваемой области в банки Impress 68
3.2.2 Аппроксимация переходных характеристик температуры в банке 3.3 Проверка гипотезы о равномерности температурного поля в автоклаве АВК-ЗОМ при стерилизации в водной-среде при нагреве и охлаждении. 75
3.4 Идентификация параметров модели стерилизационнош камеры автоклава АВК-ЗОМ : 76
3.5 Разработка режима стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress, изготовленных традиционным способом 78
3.6 Идентификация параметров математической модели
консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress 79
4 Результаты исследований традиционного и модернизированного способов стерилизации 82
4.1 Исследование традиционного способа стерилизации 82
4.1.1 Моделирование традиционного способа стерилизации 82
4.1.2 Получение оптимальных настроек регуляторов 83
4.1.3 Описание контура регулирования давления в системе автоматического управления стерилизационной установкой АВК ЗОМ . 85
4.1.4 Результаты моделирования и эксперимента традиционного способа стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress в автоклаве АВК-ЗОМ. 85
4.2 Исследование модернизированного способа стерилизации 86
4.2.1 Разработка и реализация модернизированного способа стерилизации консервов 86
4.2.2 Моделирование и результаты экспериментов модернизированного способа водной стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress в автоклаве АВК-ЗОМ .90
4.2.3 Результаты сравнительных исследований модернизированного и традиционного способов водной стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress в автоклаве АВК-ЗОМ. 91
4.3 Сопоставление модернизированного и традиционного способов стерилизации 93
4.4 Результаты исследований опытных образцов консервов «Печень трески натуральная» 96
4.4.1 Определение показателей качества опытных образцов готовой продукции консервов «Печень трески натуральная» 96
4.4.2 Результаты исследований опытных образцов консервов «Печень трески натуральная» на промышленную стерильность 100
5 Практическая реализация результатов исследований 101
5.1 Разработка оптимальной микропроцессорной системы управления стерилизационной установкой АВК-ЗОМ 101
5.2 Описание программной, части системы управления стерилизационной установки АВК-ЗОМ 103
5.3 Испытания стерилизационной установки АВК-ЗОМ в лаборатории СТППГ МГТУ при стерилизации консервов модернизированным способом 104
Заключение 108
Выводы 109
Приложения
- Основные сведения о технологическом процессе стерилизации консервов
- Новый вид тары при стерилизации консервов - банка Impress
- Исследование наименее прогреваемой области банки Impress
- Описание контура регулирования давления в системе автоматического управления стерилизационной установкой АВК ЗОМ
Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение населения качественными и безопасными продуктами из гидробионтов является стратегической задачей рыбной отрасли России. Одним из наиболее популярных продуктов в нашей стране являются стерилизованные консервы, а ключевым процессом, определяющим их безопасность и качество, является стерилизация.
Большой вклад в разработку теоретических и практических основ технологии стерилизованных консервов внесли такие учёные, как Б.Л. Флаумен-баум, В.П. Бабарин, С.А. Артюхова, Л.Т. Серпунина, З.П. Швидкая, В.Бигелоу, Ч.Болл, Ч.Стамбо и другие.
Поскольку ассортимент выпускаемых консервов в условиях жёсткой рыночной конкуренции, постоянно расширяется, а к безопасности и качеству продуктов предъявляются всё более высокие требования, совершенствование технологии стерилизованной продукции не теряет своей актуальности.
Создание новых видов консервов, применение новых видов консервной тары требуют разработки научно обоснованных формул стерилизации, утверждаемых затем в установленном порядке.
Существующие методики установления и применения формул стерилизации в России не меняются уже десятилетия и основаны на использовании двух параметров - температуры и продолжительности воздействия на продукт стерилизационной среды (пара, воды, паровоздушной смеси). Эти параметры, в конечном итоге, определяют уровень фактического стерилизующего эффекта (F - эффекта), который в результате проведения процесса должен превысить нормативный. Анализ действующих (утверждённых) режимов стерилизации для различных видов консервов свидетельствует о том, что в ряде случаев установленные температурно - временные режимы стерилизации приводят к значительному превышению нормативного стерилизующего эффекта. Одним из путей решения данной проблемы является непосредственное регулирование и контроль процесса стерилизации по F-эффекту. До сих пор использование данного решения сдерживалось по различным причинам. В настоящее время, благодаря появлению средств высокоточного измерения температуры в центре банки, доступных средств автоматизации на базе микропроцессорной техники, стало возможным заканчивать процесс стерилизации именно тогда, когда достигнута требуемая летальность.
Разработка режима стерилизации зачастую требует использования значительных энергетических, материальных и временных ресурсов. Трудоёмкость его разработки обусловлена проведением большого количества автокла-воварок, необходимых для получения и утверждения режимов стерилизации. Очевидно, что упрощение процедуры разработки возможно при использовании метода температурного моделирования. При этом, для получения модели процесса, представляющей совокупность температурных моделей стерилизатора и продукта, можно значительно сократить количество необходимых ав-токлавоварок.
Использование адекватных моделей позволит получить оптимальный температурно-временной режим стерилизации, точно обеспечивающий требуемую летальность. Предлагаемый способ стерилизации отличается от традиционного современным подходом к технологии стерилизованных консервов, и в связи с этим получил название «модернизированный».
Таким образом, разработка и исследование модернизированного способа стерилизации консервов из гидробионтов, позволяющего упростить разработку режимов стерилизации и сократить продолжительность процесса стерилизации, предопределяют актуальность данной работы.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и научное обоснование модернизированного способа стерилизации консервов из гидробионтов (по фактическому стерилизующему эффекту). Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести аналитические исследования традиционных и перспективных методов автоклавирования консервов из гидробионтов и методик построения формул стерилизации;
провести теплотехнические исследования новой алюминиевой банки Impress конической формы и экспериментально определить её наименее прогреваемую область;
получить математические температурные модели продукта из гидробионтов (консервы «Печень трески натуральная») и автоклава (АВК-ЗОМ) при стерилизации в водной среде;
разработать модернизированный способ стерилизации консервов в водной среде, основанный на вычислении фактического стерилизующего эффекта и использовании его в качестве основного регулируемого и контролируемого параметра;
разработать и реализовать оптимальную микропроцессорную автоматическую систему управления для модернизированного способа стерилизации;
изготовить опытную партию консервов «Печень трески натуральная» в новой банке Impress;
исследовать готовую продукцию на промышленную стерильность;
определить показатели качества готовой продукции;
разработать техническую документацию на изготовление и стерилизацию в водной среде модернизированным способом консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress.
Научная новизна работы.
Научно обоснован и разработан модернизированный способ стерилизации (по фактическому стерилизующему эффекту).
Предложены аппроксимирующие температурные модели продукта (консервы «Печень трески натуральная) и автоклава АВК-ЗОМ при стерилизации в водной среде.
Впервые разработана оптимальная автоматическая система управления процессом стерилизации консервов по модернизированному способу.
Практическая значимость работы.
Разработана и запатентована стерилизационная установка (Патент РФ на полезную модель № 94418 от 27.05. 2010 г.)
Получено Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2008614098 Рос. Федерация «MISt.ReaderOWEN. (МИСт. Преобразование отчетов ОВЕН)».
Разработана техническая документация на изготовление и стерилизацию в водной среде модернизированным способом консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress.
Подана заявка на патент РФ на изобретение "Способ управления процессом стерилизации консервов, основанный на F-эффекте" № 2011124095 от 14.06. 2011 года.
Результаты научных исследований будут использованы для промышленного выпуска консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress в пресервно-консервном цехе «Кильдин» ОАО «Мурманский траловый флот» и ООО «Роскон» (Калининградская обл.), а также в учебном процессе подготовки инженеров по специальностям 260302.65 «Технология рыбы и рыбных продуктов», 260602.65 «Пищевая инженерия малых предприятий», 220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств», бакалавров по направлениям 260200.62 «Продукты питания животного происхождения», 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается тщательной проработкой моделей исследуемых процессов, корректным применением методов аппроксимации, идентификации и теории оптимального управления, использованием апробированных расчетных методик, согласованием данных расчетов и экспериментов.
Внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в виде сте-рилизационной установки АВК-ЗОМ в учебно-экспериментальном цехе (УЭЦ) кафедры "Технологии пищевых производств" (ТПП) ФГБОУ ВПО Мурманский государственный технический университет (МГТУ).
Основные положения работы, выносимые на защиту:
математические температурные модели продукта (консервы «Печень трески натуральная») и автоклава АВК-ЗОМ при стерилизации в водной среде;
модернизированный способ стерилизации консервов, основанный на вычислении фактического стерилизующего эффекта и использовании его в качестве основного регулируемого параметра;
оптимальная микропроцессорная система автоматического управления процессом стерилизации;
результаты исследований готовой продукции на промышленную стерильность;
показатели качества готовой продукции.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск, 2009, 2011); VII всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и современные информационные технологии" (Томск, 2009); международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора Н. Н. Рулева "Техника и технологии переработки гидробионтов и сельскохозяйственного сырья" (Мурманск, 2008); X Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2010, золотая медаль), Международной научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Наукові здобутки молоді у вирішенні актуальних проблем виробництва та переробки сировини, стандартизації і безпеки продовольства» (Украйна, Киев, 2011)
Экспериментальная часть работы выполнена в Мурманском государственном техническом университете в рамках научно-исследовательской работы по госбюджетным темам «Комплексная модернизация систем контроля и управления процессами стерилизации и копчения» (ГР № 01200900799) и «Разработка и совершенствование технологий стерилизованных пищевых продуктов» (ГР № 01200603804).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получены авторское свидетельство на программу для ЭВМ и 1 патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (116 наименований) и 19 приложений. Работа изложена на 191 странице, содержит 58 рисунков и 36 таблиц. В приложениях представлены алгоритмы, расчеты, программы и акты испытаний, акт внедрения, выписка из протокола дегустационного совета, технологические инструкции.
Основные сведения о технологическом процессе стерилизации консервов
Режим стерилизации должен обеспечить выработку консервов, отвечающих по микробиологическим показателям требованиям промышленной стерильности, а по физико-химическим и органолептическим показателям — нормативной документации [36, 89].
Основным показателем режима стерилизации является нормативный стерилизующий эффект [60]. Параметры режима стерилизации должны быть такими, чтобы значение фактической летальности превышало значение нормативной летальности на величину, учитывающую возможные отклонения температурных и временных параметров процесса в меньшую сторону [36]. Тем самым гарантируется термогибель микроорганизмов, опасных для потребителя и оказывающих непосредственное влияние на сохранность продукта. С другой стороны, при нагревании происходит разрушение витаминов, гидролиз белков с образованием аммиака, амидов и сероводорода, окисление и пигментация продукта, а также его разваривание [9, 92]. Это приводит к снижению пищевой ценности и органолептических показателей качества консервов, особенно при интенсивном тепловом воздействии. Существует зависимость между температурой, временем нагревания и качеством получаемого продукта. Поэтому температурные и временные параметры режима стерилизации выбираются так, чтобы, обеспечивая требуемый уровень стерильности, установить оптимальное соответствие между безопасностью, качеством готовой продукции и эффективностью работы установки.
В большинстве случаев, выбор оптимального режима стерилизации сводится к тому, что для данных условий стерилизации (среда, банка, автоклав, сырье, температура) определяют параметры формулы стерилизации, обеспечивающие гарантированную стерильность продукции. Но, с учетом воздействия множества факторов, таких, как1 неоднородность партии сырья, различные условия протекания процесса (температура окружающей среды, температура стенок стерилизующей камеры и пр.) разработчики режимов стерилизации обеспечивают запас стерильности.
В связи с этим, параметры формулы стерилизации имеют завышенный характер: Об этом говорят и результаты сопоставительного анализа утвержденных до 2001 года Государственным Комитетом РФ по рыболовству режимов стерилизации в выборке, сформированной на основе технологической инструкции по производству натуральных . рыбных консервов [42]. В частности, известные российские учёные, занимающиеся разработкой новых видов консервов из гидробионтов Т.Н. Рулева и Т.Н. Крылова, отметили, что подавляющая часть действующих режимов -г стерилизации характеризуется соотношением значений фактической, и нормативной летальности в диапазоне 1,5 - 2,0, тогда как необходимое и достаточное значение составляет 1,1 [42].
Многолетний теоретический и практический опыт работы специалистов консервной отрасли, многочисленные экспериментальные материалы создают предпосылки к возникновению иного подхода к процедуре и порядку научного обоснования режимов стерилизации рыбных консервов различных ассортиментных групп в стерилизационном оборудовании различного типа, а также к построению систем управления процессом стерилизации [42]. Подобная система должна обеспечивать стерильность продукции, опираясь не на параметры формулы стерилизации, а на какой-либо иной критерий (или набор критериев), однозначно характеризующий степень стерильности продукции [16].
Обычно формулу стерилизации рассчитывают на основе измерения температуры внутри консервной банки [89]. Однако Silva С, Hendrickx М., Oliveira F и Tobback Р. предложили способ определения, оптимального режима стерилизации на основе учёта процесса теплопередачи с использованием коэффициентов теплопроводности" [107, 113]. Такой способ удобен при определении формулы стерилизации, для однородных консервов и аналогичен по своей сути методу моделирования стерилизации консервов, разработанному ВНИИКОП [9, 82].
1.3 Технологический процесс стерилизации консервов в водной среде
В1 настоящей работе рассматривается один из популярных на консервных заводах способов стерилизации в воде, «с воздушной подушкой», охлаждением в автоклаве водой, с применением сжатого воздуха.
В процессе стерилизации используются-насыщенный водяной пар, вода и воздух (все среды с давлением в диапазоне 2,5..4 кгс/см2 [9]) Водяной пар температурой выше 130 G служит в. качестве теплоносителя, подогревающего воду в стерилизационной камере [9]. Он подводится из магистрали, или создаетсяпарогенератором.
Вода является греющей средой в стерилизационной камере и на различных этапах режима стерилизации ее температура изменяется. При наличии штатного парогенератора вода также используется в процессе подготовки пара. Качество воды должно соответствовать требованиям СанПиН 2.1.4.1074-2001 [6, 19,73].
В процессе разогрева содержимого консервов давление внутри банки повышается и может достигнуть уровня, достаточного для возникновения необратимой деформации тары [9]. Для предотвращения производственного брака» в автоклаве поддерживается сверхпаровое давление, создаваемое подаваемым внутрь аппарата сжатым воздухом [9, 89, 92]. На предприятиях воздух может отбираться от воздушной магистрали (воздухопровода), нередки случаи использования стационарных компрессоров.
Структура типовой стерилизационной установки приведена на рисунке 1.1. Она состоит из: автоклава 1, системы управления процессом стерилизации 8, клетей 2 для размещения стерилизуемых консервов, датчиков температуры 3 и давления 4 для измерения температуры и давления в стерилизационной камере, термометра 5 и манометра 6 для визуального контроля температуры и давления, барботера 7 (предназначенного для обеспечения более равномерной по объему подачи пара), а также вентилей (клапанов) 9-13 для управления работой установки.
Новый вид тары при стерилизации консервов - банка Impress
Консервы из печени гидробионтов занимают особую группу среди рыбных консервов, благодаря уникальным пищевым свойствам, высокому содержанию полиненасыщенных жирных кислот и жирорастворимых витаминов. Из этой группы больше всего выпускается консервов из печени трески, очень популярных в нашей стране, причём годовой объём такой продукции составляет десятки миллионов учётных банок. Они являются ценным продуктом, вошедшим в рацион сравнительно недавно. Такие консервы производятся фактически из отходов производства, а имеют очень хорошие вкусовые качества и, главное, очень высокую пищевую и биологическую ценность: они содержат большое количество липидов, богатых полиненасыщенными жирными кислотами (ПНЖК) и жирорастворимыми витаминами [24].
Химический состав консервов "Печень трески натуральная", по данным [93], приведён в таблице 1.
Полиненасыщенные жирные кислоты, содержащиеся в липидах печени гидробионтов, являются одним из незаменимых факторов питания человека и животных. Отсутствие или недостаток полиненасыщенных жирных кислот в рационе приводит к нарушению деятельности почек, снижению устойчивости к инфекционным заболеваниям, нарушению липидного обмена, атеросклерозу. Полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) играют важную роль при профилактике сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний [24, 99, 100, ПО]. Норвежскими исследователями отмечено, что эйкозапентаеновая кислота замедляет развитие и, в некоторых случаях, вызывает гибель раковых клеток [106]. С другой стороны, по данным некоторых учёных, не менее важную роль в этом процессе играют и мононенасыщенные жирные кислоты [104].
Общие операции технологического процесса описаны в технологической инструкции по изготовлению консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress (приложение 6).
Наиболее важным этапом технологической схемы производства консервов с точки зрения обеспечения безопасности готовой продукции и кулинарной готовности является стерилизация.
Для проведения окончательной тепловой обработки консервов необходимо определиться с требованиями к процессу: нормативным стерилизующим эффектом и действующим (утвержденным) режимом стерилизации. Приемка сырья
Технологическая схема производства консервов из печени рыб. По данным зарубежных и отечественных исследователей, для рыбных консервов он должен быть не менее 3 усл. мин., что обеспечивает термогибель спор Clostridium botulinum. Однако для обеспечения гарантированной гибели патогенной спорообразующей микрофлоры в большинстве случаев нормативный F-эффект в отечественной рыбоконсервной промышленности принимается на уровне не менее 5 усл. минут [24].
При стерилизации консервов из печени рыб, помимо гибели микрофлоры, в них происходят достаточно сложные процессы. Одним из основных процессов, происходящих во всех консервах группы, производимых без предварительно тепловой обработки, является денатурация белка. В обычных рыбных консервах при этом происходит потеря воды белком вследствие нарушения структуры белковой молекулы и уменьшения количества свободных гидрофильных связей. Вследствие этого в консервной банке образуется определённое количество бульона. Аналогичный процесс происходит и в печёночных консервах. Между тем, основным компонентом печени баренцевоморской трески является жир, находящийся внутри жировых клеток, следовательно, и объём водного бульона будет в этом случае незначительным. Жир удерживается в клетках печени, между тем, клеточная оболочка имеет белковую природу, поэтому она подвержена денатурации. Вследствие этого жир выходит из кусочков печени и скапливается в банке, создавая у многих потребителей впечатление, что в консервы залито масло. Значительная часть жира поглощается конгломератами из белковых молекул, изменяющих свою конфигурацию при термической обработке, что придаёт кусочкам печени нежную консистенцию [24].
Отдельный вопрос - выбор таких режимов стерилизации, которые гарантируют достаточную гибель споровых микроорганизмов, в частности, Clostridium botidinum. К сожалению; традиционно используемый и утверждённый режим стерилизации консервов «Печень трески натуральная» (формула стерилизации j y ) не обеспечивает достижения фактической летальности, достаточной для уничтожения спор этих микроорганизмов, как установлено исследованиями «Севрыбтехпрома» (1981 г) [24]. Это, вероятно, происходит из-за низкой прогреваемости консервов с высокой массовой долей жира.
На базе учебно-экспериментального цеха Мурманского государственного технического университета были проведены исследования по определению стерилизующего эффекта консервов при стерилизации в паровой среде. На основании исследований была предложена формула стерилизации в паровой среде j j , обеспечивающая F-эффект 4,4 усл. минут. Уровень качества таких консервов практически не меняется по сравнению с консервами, произведёнными по более мягкой формуле стерилизации [24].
В формате проводимых исследований необходимо разработать режим стерилизации в воде консервов «Печень трески натуральная», для банки Impress и автоклава АВК-3ОМ.
Новый вид тары при стерилизации консервов - банка Impress В настоящей работе проведено исследование нового вида консервной тары. Банка Impress является цельнометаллической консервной тарой с легковскрываемой отрывной крышкой с ключом, конусной формы вместимостью 230 см .
Особенностями банки является то, что она изготовлена из легкого материала (алюминия) и обладает конической формой. Это обуславливает ее преимущества по сравнению с цилиндрическими жестяными банками (например, №3), особенно при использовании на судне. Коническая форма позволяет поместить до 300 пустых банок в картонный ящик № 52, ввиду того, что одна банка может быть вложена в другую. Аналогичных жестяных цилиндрических пустых банок в такую же тару вмещается не более 48 штук (банка № 3), т.е. в 6 раз меньше.
Как уже было отмечено в первой главе, определение фактической летальности в банке со стерилизуемым продуктом начинают с того, что в банку вводят специальную термопару в ту область банки, где прогреваемость наихудшая [89]. Определение наименее прогреваемой области в банке такой формы отличается от традиционных исследований, проводимых с банками цилиндрической формы.
В рамках проводимых исследований необходимо определить наименее прогреваемую область Impress. ; Была выдвинута гипотеза о смещении вверх наименее прогреваемой области банки Impress относительно половины ее высоты. Проверка гипотезы проводилась тремя способами: математическим описанием геометрических особенностей банки, моделированием теплопередачи в банке с продуктом, экспериментально.
Исследование наименее прогреваемой области банки Impress
Первое слагаемое (33) включает в себя затраты на управление процессом стерилизации. Q(x) включает в себя три составляющих (34) -затраты на управление на этапах QA, QB И QD (приложение 8). Стерилизация на этапе С происходит при естественном охлаждении автоклава. На этапе А осуществляется прогрев воды в стерилизационной камере до температуры стерилизации Тстк1. В зависимости от этой температуры затраты на нагрев воды будут разными, следовательно, этот параметр необходимо оптимизировать. Также- на этапе А энергия расходуется на нагрев консервов и компенсацию потерь в окружающую среду (35).
На этапах В и D необходимо поддерживать температуры стерилизации ТСТК1 и ТСТК2, то есть компенсировать теплоотдачу автоклава в окружающую среду и обеспечивать нагрев консервов (36). На этапе D энергозатраты на нагрев консервов незначительны и не учитываются в оценке J0.,j).c. (37). Продолжительности этапов В и D являются оптимизируемыми параметрами.
Второе, и третье слагаемое — штрафные величины т0.ф.с.5 отвечающие за выполнение ограничения на модернизированный процесс стерилизации по максимальному значению температуры продукта (115 С) и требуемому значению фактического стерилизующего эффекта Ьзад (6,7 усл. мин.).
Результаты проведенного исследования по определению показателей степени показали при штрафных величинах пит, что наилучшим образом интегральная оценка штрафуется при выходе за технологические ограничения прип и т, равных 4 (при весовых коэффициентахKi = 100, К2 =
Интегральные оценки полученные при оптимизации параметров Тетер, тв и То 4.2.2 Моделирование и результаты экспериментов модернизированного способа водной стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress в автоклаве АВК-ЗОМ Моделирование модернизированного способа стерилизации проведено в среде Matlab для формулы стерилизации, приведенной в формуле (38) для автоклава АВК-ЗОМ. Описание модели, а также идентификация параметров модели стерилизационнои камеры и парогенератора автоклава АВК-ЗОМ приведены в главе 3.
Эксперимент, проведенный по модернизированному способу стерилизации (рисунок 4.8), показал, что математическая модель адекватно представляет результаты процесса. Максимальная относительная ошибка аппроксимации составляет более 1 % на этапах нагрева и охлаждения в участках температур менее 90 С. Ошибка аппроксимации температуры стерилизационной камеры на этапе нагрева связана с тем, что процесс начат при температуре стерилизационной камеры на 5 С ниже, чем температура начала процесса при моделировании. Однако, значения ошибки аппроксимации температуры стерилизационной камеры на этапах нагрева и охлаждения не оказывает существенного влияния на F-эффект, его экспериментальное значение эквивалентно заданному (6,7 усл. мин.). традиционного способов водной стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress в автоклаве АВК-ЗОМ. Сравнение результатов моделирования обоих способов стерилизации приведено на рисунке 4.9.
Сравнение результатов моделирования обоих способов стерилизации (рисунок 4.9) показывает, что продолжительность модернизированного способа стерилизации короче традиционного на 8,33 мин. Это означает, что повышается производительность стерилизационной установки, а также снижаются потери энергии, необходимой на поддержание температуры стерилизационной камеры в течение 8,33 мин.
В таблицах 11 и 12 приведено сравнение экспериментально проведенных традиционного и модернизированного способов водной стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress по F эффекту, продолжительности процесса и потребляемой электроэнергии.
Сравнение способов стерилизации (таблица 12) показывает, что модернизированный способ является более1 эффективным с точки зрения энергопотребления. Продолжительность модернизированного способа стерилизации короче на 8,9 %, а количество потребляемой электроэнергии меньше на 20 %.
Модернизированный режим стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress для автоклава- АВК-ЗОМ имеет вид ступенчатого способа стерилизации. Однако, ступенчатый способ стерилизации является частным случаем модернизированного. «Ступеньки» образуются при технологических ограничениях на процесс стерилизации. Сравним традиционный, способ стерилизации с другими его вариантами, а также с различными вариантами, модернизированного способа по энергозатратам на процесс. Сравнение будем проводить численным моделированием на основе моделей, полученных в п.4.1 и п.4.2.
Результаты моделирования традиционного способа стерилизации при температурах Тстк = 115 С и Тстк = 120 С, выполненного в программе Modern_Optim, представлены на рисунках 4.10 и 4.11. Сравнение этих двух режимов показывает, что второй (Тстк = 120 С) более эффективен по энергозатратам, но менее качественным, ввиду оказанного на продукт большего теплового воздействия (Тпрод. макс. = 117,2 С). 130 120 110 100
Модернизированный способ стерилизации может быть реализован и без «ступенек», что существенно отличает его. от способа ступенчатой стерилизации. Наиболее энергоэффективным для Тпрод.макс. = 115 С, оказался режим 122,5 - 112,5 (рисунок 4.12). Однако, в связи с тем, что температура стерилизационной камеры превышает 120 С, для такого режима необходимо дополнительно исследовать влияние температуры продукта в процессе термообработки на показатели его качества.
Описание контура регулирования давления в системе автоматического управления стерилизационной установкой АВК ЗОМ
В соответствии с модернизированным способом стерилизации автоклав необходимо нагреть за 16,5 минут до температуры 120 С. Этап собственно стерилизации провести в две стадии, при температуре 120 С и 115 С. 120 С необходимо выдержать 9 минут, оставшиеся 35 минут этапа стерилизации необходимо провести следующим образом: естественным охлаждением стерилизационной камеры (клапан подачи пара закрыт, прогрев парогенератора отсутствует) обеспечить за 23 минуты температуру 115 С и выдержать оставшиеся 16,5 минут. Охлаждение проводить как при традиционном способе стерилизации.
Оценка эффективности модернизированного способа стерилизации в воде консервной продукции «Печень трески натуральная» в банке Impress.
После проведения п 5.1 и 5.2 получить средние значения фактических стерилизующих эффектов 5 варок и сравнить с требуемым значением. Полученные средние значения должны быть больше или равны 6,7 условным минутам.
Проанализировать полученные кривые температур и давления в стерилизационной камере и температуры в банке Impress.
Температура в стерилизационной камере не должна превышать 120 С более, чем на 1 С, а температура продукта — 115 С, более чем на 0,5 С. Давление в стерилизационной камере не должно превышать требуемое на этапах собственно стерилизации и охлаждения более чем на 0,02МПа.
Сравнить затраты на управление процессом стерилизации в воде консервов «Печень трески натуральная» в автоклаве АВК-30М, проведенным в соответствии с режимом стерилизации с затратами на процесс, проведенный в соответствии с фактическим стерилизующим эффектом.
Определить показатели качества готовой продукции консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress по методу балльных шкал. Исследовать готовую продукцию на промышленную стерильность;
Сделать вывод об эффективности модернизированного способа стерилизации в воде консервной продукции «Печень трески натуральная» в банке фирмы Impress.
Результаты испытаний должны быть оформлены актом и подписаны ответственными лицами, участвовавшими в испытаниях.
Научный соїрудник кафедры А и ВТ приняла участие в испытаниях модернизированного способа стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress.
Испытания проведены согласно «программе испытаний модернизированного способа стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress» (далее по тексту Программа), утвержденной 29 апреля 201 1 года. Результаты испытаний получены в лаборатории «Современных технологий производства продуктов из гидробионтов» кафедры «Технологий пищевых производств» МГТУ в рамках научных исследований по темеТБ НИР «Комплексная модернизация систем контроля и управления процессами стерилизации и копчения» в 2011 г. Время проведения испытаний : 01.05.2011г. — 30.06.2011 г. Цель проведения испытаний и задачи :
Целью испытаний является экспериментальная оценка эффективности модернизированного способа стерилизации консервной продукции «Печень трески натуральная». , Задачами испытаний являются: 1. Проведение процесса стерилизации консервов «Печень трески натуральная» по традиционному способу стерилизации (в соответствии с режимом стерилизации) в автоклаве АВК-ЗОМ. 2. Проведение процесса стерилизации консервов «Печень трески натуральная» по модернизированному способу стерилизации (в соответствии с фактическим стерилизующим эффектом) в автоклаве АВК-ЗОМ. 3. Определение показателей качества готовой продукции консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress по методу балльных шкал. 4. Исследование готовой продукции на промышленную стерильность. Техническое и программное обеспечение. 1. Стерилизационная установка АВК-3 ОМ. 2. Система управления процессом стерилизации на базе ОВЕН _ ПЛК-154 3. Установка Tracksense Pro фирмы Ellab A/S с четырьмя датчиками и считывателем данных. 4. Ноутбук ASUS F5N с предустановленным программным обеспечением системы управления процессом стерилизации на базе 3S Software CoDeSys V2.3.
Традиционный 15-58.33-20 115 6,44 6,14 7,22 6,92 6,38 6,65
Проведение процесса стерилизации в воде (5 экспериментов) консервов «Печень трески натуральная» в автоклаве АВК-ЗОМ модернизированным способом стерилизации (в соответствии с фактическим стерилизующим эффектом: 6,7 усл.мин.). Эквивалентное представление процесса проводимого по модернизированному способу в виде формулы стерилизации: Результаты проведения модернизированного способа стерилизации представлены на рисунках 4 и 5.. Результаты расчётов F-эффекта при проведении модернизированного, способа стерилизации представлены в таблице 2.
Похожие диссертации на Разработка и исследование модернизированного способа стерилизации консервов из гидробионтов
