Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 18
1.1. Очистка сточных вод мясоперерабатывающих предприятий 18
1.2. Принципы построения системы управления окружающей среды консервных предприятий мясной промышленности 24
1.3. Упаковка консервированной продукции на консервных предприятиях мясной промышленности 30
1.3.1. Герметичность консервной тары 30
1.3.2.Устройства и методы контроля герметичности консервной тары 36
1.3.3. Системы герметизации контролируемых изделий 48
1.4. Выводы и постановка задач исследования 54
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОНСЕРВНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ МЯСНОЙ ПРОМЫШЛЕННСТИ 56
2.1. Оценка жизненного цикла консервных предприятий мясной промышленности 56
2.1.1.Построение структурной модели продукционной системы кон сервных предприятия мясной промышленности 56
2.1.2.Интерпритация жизненного цикла продукционной системы консервных предприятий мясной промышленности 59
2.2. Разработка предельно-допустимых норм брака мясных консервов по герметичности 67
2.3. Разработка показателей экологической эффективности консервных предприятий мясной промышленности 72
2.4. Разработка динамической модели продукционной системы консервных предприятий мясной промышленности в экологических аспектах прогноза ее деятельности 80
2.5. Выводы 86
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСЕРВНЫХ БАНОК 88
3.1. Экспериментальные стенды и методы исследования 88
3.2. Механические и прочностные характеристики консервных банок...93
3.3. Определение остаточного прогиба баночных концов от внешнего давления 101
3.4. Математическая модель прогиба баночных концов в зависимости от внутреннего давления 102
3.5. Исследование изменения объема консервной тары при ее прогреве в горячей воде 106
3.6. Исследование дефектов закаточного шва консервных банок 111
3.7. В ыводы 118
ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ МЯСНЫХ КОНСЕРВОВ ПЕРЕД СТЕРИЛИЗАЦИЕЙ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ МЯСНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 120
4.1.Исследование реологических характеристик жидкого содержимого мясных консервов 121
4.2.Исследование физико-химических характеристик жидкого содержимого мясных консервов 125
4.3 .Дисперсный состав мясных консервов 132
4.4. Формулирование условий закупорки канала негерметичности консервной тары содержимым мясных консервов 135
4.5.Классификация применимости методов контроля герметичности мясных консервов перед стерилизацией на предприятиях мясной промышленности 138
4.6.Выводы 140
ГЛАВА 5. НАУЧНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССОВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ МЯСНЫХ КОНСЕРВОВ ПЕРЕД СТЕРИЛИЗАЦИЕЙ НЕРАЗРУШАЮЩИМИ МЕТОДАМИ
5.1. Анализ формализованного представления манометрического метода контроля герметичности ,
5.2. Проводимость каналов негерметчиности консервных банок
5.3. Способ измерения степени герметичности металлических консервных банок
5.4. Разработка алгоритма отбраковки консервных банок по допустимой степени герметичности
5.5. Математическая модель процесса освобождения канала негерметичности консервной тары от жидкости
5.6. Установка контроля герметичности мясных консервов перед стерилизацией, реализующая пузырьковый метод
5.7. Оптимизация режимных параметров процесса контроля герметичности мясных консервов пузырьковым методом ,
5.8. Выводы
ГЛАВА 6. НАУЧНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССОВ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТНОСТИ МЯСНЫХ КОНСЕРВОВ ПЕРЕД СТЕРИЛИЗАЦИЕЙ РАЗРУШАЮЩИМИ МЕТОДАМИ 180
6.1. Обоснование применимости математико-статистических методов для контроля герметичности металлической консервной тары 180
6.2. Методы контроля качества формирования закаточного шва и времени перенастройки оборудования по толщине и перекрытию закаточного шва консервной банки 185
6.3. Метод анализа процесса формирования закаточного шва по опорным точкам деформации баночных концов 193
6.4. Выводы 197
ГЛАВА 7.РЕАЛИЗАЦИЯ КОНЦЕПЦИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНСЕРВНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ МЯСНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 200
7.1. Схемные решения технологических процессов производства консервов на предприятиях мясной промышленности, способные повысить экологическую эффективность их продукционных систем 200
7.1.1. Тестирование работы автоклавов и коррекции режимов стерилизации 202
7.1.2. Устройство счета консервных банок 208
7.1.3. Ванны для загрузки автоклавных корзин консервными банками 211
7.1.4. Стрелочный перевод потока консервных банок 213
7.2 Показатели экологической и экономической эффективности научно- технической продукции 215
7.3. Выводы 217
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 218
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 221
ПРИЛОЖЕНИЯ 2їв
Введение к работе
В XXI веке население Земли незримо начало новую фазу своего развития, когда созданные им колоссальные продукционные системы производств вступили в экологическое противодействие с природными системами обитания всех биологических форм и самого человека. Направленность производственной деятельности человека имеет в большинстве своем строго экономическое обоснование. При этом экологические аспекты продукционных систем часто второстепенны и формальны. Жизненные потребности человека, трансформирующиеся в наращивание экономического развития производств и государств, создание запасов продовольствия на Земле на непредвиденные природные обстоятельств, неуклонно и объективно входят в противоречие в экологических аспектах продукционных систем производства. Прогнозы перспектив развития производственных процессов требуют переоценки принципов и методик их построения, совершенствования оснащенности при-боро-аппаратурной базы именно в экологических аспектах эффективности. Стало очевидно, что продукционные системы должны быть взяты в жесткие рамки созданных систем экологической целесообразности и эффективного контроля. Введенный впервые с 1.04.1999 г. в Российской Федерации комплекс международных стандартов серии 14000 «Система управления качеством окружающей среды» явился регламентированным программным документом по организации систем управления окружающей средой, оценке соответствия экологической эффективности политике организации, плановым показателям и другим критериям производственной деятельности.
Водные ресурсы на Земле играют чрезвычайно важную роль в социально экономическом развитии регионов и стран в целом. Все возрастающие потребности народного хозяйства в этой чрезвычайно важной компоненте окружающей природной среды, территориальная дифференциация водных запасов предопределяют особую актуальность возникающей проблемы в плане возможных изменений ресурсного потенциала и экологического состояния.
Мясоконсервные предприятия пищевой промышленности являются крупными потребителями питьевой воды. Специфика их производства такова, что происходит практически безвозвратная потеря воды в технологическом процессе. В результате сточные воды образуются в количестве 70-90% от объема потребления, что, к тому же характеризуется неравномерностью притока сточных вод, возможностью фугитивных, залповых сбросов. Сточные воды мясоконсервных предприятий содержат повышенные концентрации жиров (до 2 г/л), присутствуют также соединения азота, по основным загрязняющим компонентам (ХПК, БПК, ВВ) они в 80 раз (!) превышают аналогичные показатели хозяйственно-бытовой воды населенных пунктов. Следует особенно отметить, что около 20% предприятий мясной промышленности вообще не имеют возможностей приема производственных стоков в системы канализаций. Общая характеристика стоков такова, что они требуют больших экологических затрат на высоко технологичные и многостадийные обработки сбросовых вод. Ухудшение экологической ситуации по пищевым отраслям в целом и мясной отрасли в частности привели к пониманию неотложности решения существующей проблемы снижением загрязненности сбросовых вод предприятий. Проблема усугубляется не только объективной необходимостью стойкого наращивания экономического развития, но и социальной консервативностью сознания.
Решение существующих и перспективно обозначенных вопросов этого плана возможно только на основе целенаправленных научных и технических решений, комплексно связывающих производство и окружающую среду.
Исследования, проводимые в диссертационной работе, опирались на труды отечественных и зарубежных ученых: Азарова Б.М., Аминова М.С., Баба-рина В.П., Большакова О.В., Гельфант С. Ю., Горбатова А.В., Дерягина Б.В., Жаринова А.И., Зимона А.Л., Косого В.Д., Мазохиной Н.Н., Мачихина Ю.А., Рогова Н.А., Рогачева В.И, Орешкина Е.Ф., Сажина С.Г., Свинцова В.Я, Устиновой А.В., Тимошенко Н.В., Фламенбаума Б.Л., Херсум А.С., Чупахина В.М., Шторм Р, Bankes Р, Selman S., Stringer М. и др.
Актуальность темы обосновывается современной тенденцией ухудшения экологии окружающей среды экспансивным влиянием промышленных производственных систем и консервных производств мясной промышленности, в частности.
Целью диссертационной работы является повышение экологической эффективности производства консервов на предприятиях мясной промышленности в аспектах упаковки пищевого продукта в герметичную и прочную жестяную тару.
Реализация поставленной цели достигается проведением комплекса теоретических и экспериментальных исследований процессов неразрушающего и разрушающего контроля герметичности укупоренной жестяной консервной тары с продуктом перед стерилизацией, их методического и аппаратурного оформления, а также разработкой научно-обоснованных показателей экологической эффективности продукционной системы консервных предприятий мясной промышленности.
Объектом исследования явились основные производства продукционной системы консервных предприятий мясной промышленности.
Научная новизна работы.
Аналитически исследованы процессы контроля герметичности укупоренной металлической консервной тары с продуктом неразрушающими методами, на основании которых вскрыты и экспериментально исследованы основные особенности проведения процессов, заключающиеся в доминирующем воздействии на их параметры комплекса физических и физико-химических свойств продукта консервации, механических и прочностных характеристик тары, способов контроля.
Экспериментально обоснована физическая модель течевого канала негерметично-закатанной металлической консервной банки в виде «ламинарного дросселя», на основании которой разработаны методика определения степени герметичности консервной банки по постоянной времени динамической характеристики изменения давления в негерметичной банке и методика оп ределения комбинированных параметров процессов неразрушающего контроля герметичности укупоренной консервной тары с продуктом.
Разработана методика контроля герметичности мясных консервов перед стерилизацией разрушающими методами, основанная на анализе механических и прочностных характеристик жестяной консервной банки методом контрольных карт.
Разработано аппаратурное оформление экологически эффективных процессов мясоконсервного производства.
Разработана концепция совершенствования консервного производства на экологической основе и методология формирования и оценки экологических показателей эффективности продукционных систем консервных предприятий мясной промышленности.
Новизна технических решений подтверждена 6-ю авторскими свидетельствами (СССР) с взаимопризнанием 1-ого изобретения в качестве хозяйственного патента (Германия).
Практическая значимость работы.
На основании теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости для проведения инженерных расчетов аппаратурного оформления процессов контроля герметичности жестяной консервной тары неразрушающими и разрушающими методами и алгоритмы их реализации.
Разработана классификация мясных консервов по содержанию в них жира для определения предельно-допустимых норм брака мясных консервов по герметичности.
Осуществлена опытно-промышленная проверка устройства контроля герметичности консервных банок пузырьковым методом с ожидаемым годовым экономическим эффектом более 53000 руб. в рамках внедренной системы учета продукции на Семипалатинском мясоконсервном комбинате (г. Семипалатинск, республика Казахстан), что дало фактическое снижение себестоимости продукции на 10%. Техническая документация на устройство передана на предприятие изготовитель.
Осуществлена опытно-промышленная проверка разрушающих методов контроля герметичности мясных консервов перед стерилизацией с использованием контрольных карт на ЗАО «Покровские консервы» (г. Энгельс, Саратовская обл.), что снизило выход бракованной продукции за контрольный период на 12,7%.
Осуществлена опытно-промышленная проверка методов коррекции режимов стерилизации на консервном заводе фирмы «СИМКО» (г. Ахтубинск, Астраханская обл.), что снизило выход бракованной продукции за контрольный период на 40%.
Разработана и передана на предприятие изготовитель конструкторская документация на устройство контроля герметичности консервной тары манометрическим методом.
Рекомендации по выбору дифференцированного ассортимента консервной продукции из учета разработанного комбинированного состава групп консервов по жиру позволили сбалансировать основные экологические показатели сбросовых вод консервного производства на ООО МК «Дубки» (пос. Дубки, Саратовская область).
Материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс и используются для подготовки инженеров-механиков специальности 170600 -Машины и аппараты пищевых производств. Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Пневматические системы управления биологическими процессами» (г. Москва 1987 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Пути развития производства и переработки животноводческого сырья в системе АПК (г. Москва 1988г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование технологических процессов производства новых видов пищевых ресурсов» (г. Киев, 1991); Международной научно-технической конференции «Пища. Экология. Человек» (г. Москва, 1995 г.); Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии пищевых производств» (Санкт-Петербург, 1998 г.); Российской научной конференции «Современные проблемы науки в АПК» (г. Пенза, 1999 г.); Международном экологическом симпозиуме «Перспективные информационные технологии и проблемы управления рисками на пороге нового тысячелетия» в рамках научных чтений «Белые ночи-2000» (г. Санкт-Петербург); Международных научных чтениях «Белые-ночи- 2001» «Стратегия выхода из глобального экологического кризиса» (г. Санкт-Петербург); Международных научных чтениях «Белые-ночи- 2002» (г. Санкт-Петербург); VIII Международных научных чтениях «Белые-ночи- 2004» «Риски в современном мире: идентификация и защита (г. Санкт-Петербург); экспонировались на ВДНХ СССР (1987 г.) в разделе «Достижения ученых ВУЗов в научно-исследовательской работе», где счетное устройство консервных банок удостоено бронзовой медали выставки; внутривузовских научно-технических конференциях Семипалатинского технологического института (1985-1989 гг.); Московского государственного технологического университета прикладной биотехнологии (1996 г.); областной научно-практической конференции «Проблемы новаторской деятельности, ученых, изобретений и других творческих работников в условиях реформирования экономики» (г. Саратов, 1996 г.); Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова (1992-2004 г.). Публикации.
Основное содержание диссертации опубликовано в 50 работах, в том числе в 1 монографии, 5 научно-методических рекомендациях для консервных предприятий мясной промышленности, 37 статьях. Получено 7 авторских свидетельств (СССР) с взаимопризнанием 1 -ого изобретения в качестве хозяйственного патента (Германия) в том числе.
Структура и объем диссертации.
Диссертация включает введение, семь глав, выводы, список использованной литературы из 162 наименования и 7 приложений. Работа изложена на 300 страницах, включая в себя 237 страниц основного текста, 69 рисунков и 26 таблиц.
На защиту выносятся:
• комплексный подход в исследованиях металлической консервной тары, как емкости для упаковки мясного консервированного продукта, заключающийся в аналитической систематике механических, прочностных, реологических, физических и физико-химических характеристик тары и продукта консервации, формирующих основной показатель объекта исследования - герметичность консервной банки; а также результаты этих исследований;
• процессы контроля герметичности перед стерилизацией мясных консервов в жестяных консервных банках на предприятиях мясной промышленности разрушающими и неразрушающими методами;
• научно-техническая продукция, составляющая систему технического обеспечения экологически эффективных процессов продукционных систем консервных предприятий мясной промышленности.
• концепция совершенствования консервного производства мясной промышленности на экологической основе;
• методология формирования и оценки показателей экологической эффективности консервных предприятий мясной промышленности.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе представлена картина образования сточных вод консервных предприятий мясной промышленности. Установлено, что количественный уровень их показателей значительно превышает допустимые нормы сброса и не позволяет канализование без дополнительной многостадийной и дорогостоящей очистки. Методические основы построения технологических процессов мясоконсервного производства таковы, что возможны неконтролируемые и залповые сбросы отработанных вод, превышающие допустимые уровни их обработки в очистных сооружениях.
Исследованы процессы упаковки консервированного продукта на предприятиях мясной промышленности в основную в настоящее время, традиционную и перспективную тару - жестяные консервные банки. Проанализированы и систематизированы методы и способы, системы и аппаратурное оформление процессов контроля герметичности консервной тары с акцентом на их безвредность, специфичность и экологичность. Обозначены узкие места производства, влияющие на выход брака консервной продукции.
Обозначены принципы построения системы управления окружающей среды на консервных предприятиях мясной промышленности.
В результате анализа состояния вопроса сформулированы задачи исследования.
Во второй главе проведено исследование экологических аспектов деятельности консервных предприятий мясной промышленности в соответствии с требованиями комплекса международных стандартов серии 14000 «Система управления качеством окружающей среды». Исследования проведены на основе оценки жизненного цикла продукционной системы консервных предприятий мясной промышленности, ее моделированием и интерпритацией количественных показателей процессовых единиц.
Проведено агрегирование брака основной продуктовой единицы продукционной системы - укупоренной физической консервной банки с продуктом, что структурно обозначило формирование основных экологических аспектов деятельности системы и определило направленность исследований.
На основе ABC- анализа выявлены процессовые единицы, формирующие основные показатели экологической эффективности продукционной системы.
Разработаны количественные показатели экологической эффективности продукционной системы и методика их оценки. Разработаны предельно-допустимые нормы брака (ПДБ) консервной тары по негерметичности, проведено обоснование их количественного уровня. Разработана динамическая модель прогноза достижения требуемого уровня ПДБ с учетом внедрения разработанной научно-технической продукции.
Систематизированы существующие группы мясных консервов по содержанию в них жира. Формализована оценка показателей экологической эффективности продукционной системы, при которой количественные изменения показателей фиксируются в контрольные периоды относительным сравнением.
В третьей главе проведены исследования механических и прочностных характеристик металлических консервных банок, разработаны математические модели деформации баночных концов герметичной и прочной, а так же дефектной и бракованной жестяной консервной тары при тестировании ее давлением нагрузки.
Получена математическая модель движущей силы пузырькового метода контроля герметичности мясных консервов перед стерилизацией в горячей воде и прогиба баночных концов от давления нагрузки.
Результаты исследований были использованы для разработки способов, алгоритмов и устройств контроля герметичности консервной тары неразру-шающими и разрушающими методами.
В четвертой главе проведено исследование реологических, основных смачивающих характеристик, а так же дисперсный анализ мясных консервов по группам, в соответствии с видом и составом сырья. Исследования проведены с целью выявления влияния продукта на процессы контроля герметичности укупоренной консервной тары с продуктом.
Результаты исследований были использованы при разработке процессов контроля герметичности мясных консервов перед стерилизацией неразру-шающими методами и оптимизации их режимных параметров.
Проведена систематизация применимости методов контроля герметичности мясных консервов в металлической таре перед стерилизацией.
В пятой главе расширены научные аспекты процессов контроля герметичности укупоренных металлических консервных банок с продуктом нераз рушающими методами: манометрическим и пузырьковым. Проведены экспериментальные и аналитические исследования проводимости теневых каналов негерметично укупоренных металлических консервных банок с продуктом.
Разработаны: - Математические модели канала негерметичности металлической консервной тары; процесса освобождения канала от жидкого содержимого; процесса определения степени герметичности металлической консервной тары манометрическим методом.
-Способ отбраковки негерметичной консервной тары с продуктом манометрическим методом.
-Режимные параметры процессов контроля герметичности мясных консервов перед стерилизацией манометрическим и пневмо-гидравлическим методом. -Разработана геометрическая модель оптимизации режимных параметров процесса контроля герметичности консервов пузырьковым методом.
В главе представлен материал научно технических разработок устройств контроля герметичности укупоренных металлических консервных банок с продуктом перед стерилизацией манометрическим и пузырьковым методом.
Разработанные устройства предназначены для закрытия проблемы узких мест по образованию негерметичной консервной тары перед стерилизацией в технологических линиях консервных предприятий мясной промышленности, перспективно являясь центральными техническими звеньями в системе управления качеством окружающей среды продукционных систем.
В шестой главе обосновано применение математико-статистических методов контроля процесса упаковки продукта в герметичную и прочную консервную тару разрушающими методами.
Разработаны способы контроля формирования закаточного шва консервной тары по толщине и перекрытию закаточного шва методом контрольных карт, позволяющие определить время поднастройки закаточного оборудования.
Разработан способ активного наблюдения за процессом формирования закаточного шва металлической консервной тары по анализу опорных точек деформационной зависимости баночных концов с использованием метода контрольных карт.
В седьмой главе представлены разработки научно-технической продукции, способные повысить показатели экологической эффективности продукционной системы консервных предприятий мясной промышленности:
-ванны для загрузки автоклавных корзин консервными банками навалом, конструкция которых снижает уровень микробиальной обсемененности водной среды емкостей ванн, уменьшая тем самым выход брака консервов по бомбажу, исключает попадание жира с поверхности банок в аппараты стерилизации, обеспечивает одновременно равномерность загрузки корзин, способствуя ритмичности производства и в конечном итоге снижая себестоимость продукции (а.с. №№ 1296101,1493235); надежность и безопасность работы ванн обеспечивается схемным решением на элементах пневмоавтоматики;
-методика тестирования работы автоклавов и коррекции режимов стерилизации, способствующая повышению качества продукции и снижению ее себестоимости;
-счетные устройства консервных банок, надежно работающие в неблаго-прияном микроклимате консервных предприятий (а. с. № 1325538);
-стрелочный перевод потока консервных банок, обеспечивающий надежность и бесперебойность работы течек (а. с. № 1783340).
Научно-техническая продукция работы составляет комплексную систему разработок, способную повысить показатели экологической эффективности продукционной системы консервных предприятий мясной промышленности.
В главе также показано, что предложенные показатели «жиросодержания» мясных консервов дают возможность сделать пересчет процентных показателях брака физических банок по герметичности на содержание жира в условной таре. Это позволяет проведение сравнительного анализа продукционной системы с точки зрения экологических аспектов ее функционирования, ориентируя производителя на принятие необходимых природоохранных мер, выпуск соответствующего ассортимента консервов и т. п.
В заключении даны выводы и результаты диссертационной работы, представлены материалы, дополняющие и поясняющие исследования, а также документы, подтверждающие промышленную апробацию научно-технической продукции.
Автор выражает признательность коллективам сотрудников Семипалатинского института мясной и молочной промышленности, Семипалатинского ордена Трудового Красного Знамени мясоконсервного комбината, мясокомбинатов «Дубки», «СИМКО», «Покровский», Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова, Саратовского технического университета, в разное время содействующих проведению научно-технических работ и исследований.
