Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Аналитический обзор патентно-информационной литературы по тепловой стерилизации 13
1.1 Сущность и основные параметры тепловой стерилизации консервов 13
1.2 Анализ вопроса теплопроникновения в тару с продуктом при стерилизации 19
1.3 Краткая характеристика основных способов тепловой стерилизации консервов 22
1.4 Аппараты для стерилизации консервов 44
Глава II. Экспериментальные установки и методы исследований и обработки экспериментальных данных 56
2.1 Экспериментальные установки 56
2.1.1 Экспериментальная установка для исследования ротационной стерилизации консервов 56
2.1.2 Экспериментальная установка для исследования процесса пароконтактного нагрева консервов 61
2.2 Методы экспериментальных исследований 63
2.2.1 Методика измерения температуры продукта при ротационном нагреве 63
2.2.2 Разработка режимов стерилизации консервов 65
2.2.3 Определение качественных показателей готового продукта 68
2.2.4 Определение микробиологической обсемененности 68
2.2.5 Методы обработки экспериментальных данных 69
2.3 Конструирование экспериментальных образцов устройств и аппаратов 70
Глава III. Исследование прогреваемости консервов в потоке нагретого воздуха с вращением тары 71
3.1 Исследование послойной прогреваемости консервов по режимам действующей технологической инструкции в автоклавах.72
3.2 Послойная прогреваемость консервов в потоке нагретого воздуха с вращением тары 80
3.2.1 Послойная прогреваемость консервов в потоке нагретого воздуха при статическом состоянии банок 81
3.3 Способы определения оптимальной скорости вращения банок при ротационной стерилизации 85
3.3.1 Способ определения оптимальной скорости вращения банки по разности температур в наименее и наиболее прогреваемых точках 87
3.3.2 Способ определения оптимальной скорости вращения банки по разности температур теплоносителя и в наименее прогреваемой точке 91
3.3.3 Способ определения оптимальной скорости вращения банки по скорости прогрева консервов в наименее прогреваемой точке 94
3.4 Исследование прогреваемости консервов в стеклянной таре в потоке нагретого воздуха с вращением тары 95
3.4.1 Исследование прогреваемости компотов 96
3.4.2 Применение математического эксперимента при расчете режимов тепловой стерилизации компотов в потоке нагретого воздуха 108
3.4.3 Влияние параметров нагретого воздуха на величину стерилизующего эффекта процесса нагрева компотов 121
3.5 Исследование прогреваемости компотов в жестяной таре при ротационном нагреве в потоке нагретого воздуха
3.6 Исследование прогреваемости и математическое моделирование ротационного нагрева фруктовых соков в потоке нагретого воздуха с вращением тары 132
3.7 Исследование прогреваемости овощных натуральных консервов в потоке нагретого воздуха 135
3.8 Исследование прогреваемости концентрированных томатопродуктов в потоке нагретого воздуха 137
Глава IV. Исследование пароконтактного нагрева консервов конденсирующимся паром 139
4.1 Способ пароконтактного нагрева консервов в таре 139
4.2 Расчет нестационарного температурного поля при пароконтактном нагреве продуктов в цилиндрической таре 142
4.3 Исследование пароконтактного нагрева консервов 149
4.3.1 Исследование влияния формы барбатера и условий подвода пара в тару на прогреваемость консервов 151
4.4 Аппарат для расфасовки и пароконтактного нагрева консервов в банках 152
Глава V. Исследование предварительного подогрева консервируемых плодов (овощей) в таре с использованием тепловой энергии и ЭМП СВЧ 161
5.1 Исследование процесса предварительного подогрева плодов и овощей в банках горячим воздухом 162
5.2 Исследование повышения среднеобъемной начальной температуры консервов с использованием ЭМП СВЧ 165
5.3 Исследование предварительного подогрева плодов и овощей горячей водой (сиропом) 169
Глава VI. Интенсификация процесса охлаждения консервов после тепловой стерилизации 174
6.1 Охлаждение консервов в статическом состоянии банок 175
6.2 Исследование ротационного охлаждения консервов в потоке атмосферного воздуха 181
6.2.1 Ротационное охлаждение компотов в стеклянной таре 181
6.2.2 Влияние режимов охлаждения на величину стерилизующего эффекта периода охлаждения компотов в стеклянной таре 185
6.2.3 Ротационное охлаждение компотов в жестяной таре в потоке атмосферного воздуха 190
6.2.3 Ротационное охлаждение консервов гомогенной консистенции 193
6.2.3.1 Охлаждение консервов "Сок томатный" в потоке атмосферного воздуха в банках СКО 1-82-3000 194
6.2.3.2 Математическое планирование эксперимента расчета режима охлаждения томатного сока 200
6.2.3.3 Математическая обработка результатов экспериментов 202
6.3 Ротационное воздушно-водоиспарительное охлаждение консервов 211
6.3:1 Способ ротационного воздушно-водоиспарительного охлаждения консервов в стеклянной таре после тепловой стерилизации 212
6.3.2 Способ ротационного воздушно-водоиспарительного охлаждения консервов в стеклянной таре после высокотемпературной стерилизации 215
6.3.3 Способ ступенчатого ротационного воздушно-водоиспарительного охлаждения консервов 216
6.3.4 Ротационное воздушно-водоиспарительное охлаждение консервов «Сок томатный» 221
6.3.5 Ротационное воздушно-водоиспарительное охлаждение компотов в жестяной таре 224
6.3.6 Исследование термостойкости стеклянной тары при охлаждении с постоянным температурным перепадом 226
6.4 Аппарат для охлаждения консервов 235
6.5 Новый способ охлаждения консервов после тепловой стерилизации в автоклаве 236
Глава VII. Разработка режимов и интенсивных технологий тепловой стерилизации консервов 241
7.1 Математическое моделирование научно-обоснованных режимов тепловой стерилизации консервов 241
7.1.1 Математическое моделирование процесса нагрева консервов нагретым воздухом 244
7.1.2 Математическое моделирование процесса охлаждения атмосферным воздухом 246
7.1.3 Математическое моделирование процесса стерилизации компотов в потоке нагретого воздуха с воздушным охлаждением 248
7.1.4 Математическое моделирование процесса стерилизации в потоке нагретого воздуха со ступенчатым воздушно-водоиспарительным охлаждением 249
7.2 Разработка режимов стерилизации консервов 254
7.2.1 Разработка режимов стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха с воздушным и воздушно-водоиспарительным охлаждением при вращении тары 260
7.3 Аппарат для ротационной стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха с воздушно-водоиспарительным охлаждением 269
7.4 Носитель банок для; стерилизаторов; непрерывного действия 271
7.5 Режимы пароконтактной стерилизации консервов 273
7.6 Пароконтактная стерилизация фруктовых соков с мякотью и сахаром 278
7.7 Устройство для пароконтактной стерилизации и хранения консервов 281
7.8 Разработка интенсивных технологий производства консервов 283
7.8.1 Технология производства компотов 283
7.8.2 Технология производства консервов "Перец сладкий натуральный" 285
7.8.3 Технология производства консервов "Морковь гарнирная", "Свекла гарнирная" 287
7.8.4 Технология производства консервов "Картофель молодой" 289
7.8.5 Технология производства консервов "Томаты натуральные целые" 290
7.8.6. Технология производства консервов "Огурцы консервированные" 292
7.8.7 Технология производства консервов "Кабачки консервированные" 293
7.8.8. Технология производства консервов «Говядина тушенная» с использованием СВЧ-нагрева консервов перед герметизацией 294
7.8.9. Технология производства вишнёвого сока с мякотьюв банках Гг58-200 296
7.8. 10 Технология производства вишневого сока с мякотью в банках СВД 82-1000 297
Заключение 309
Список использованной литературы 314
Приложения 370
- Краткая характеристика основных способов тепловой стерилизации консервов
- Применение математического эксперимента при расчете режимов тепловой стерилизации компотов в потоке нагретого воздуха
- Аппарат для расфасовки и пароконтактного нагрева консервов в банках
- Разработка режимов стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха с воздушным и воздушно-водоиспарительным охлаждением при вращении тары
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важнейших проблем интенсификации пищевых производств является создание новых, более эффективных ресурсосберегающих и экологически безопасных способов, технологий и соответствующих аппаратов по переработке сельхозсырья. В этом плане стратегическим направлением Государственной Программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 гг., утвержденной постановлением Правительства РФ, является ускоренный переход к использованию новых высокопроизводительных и ресурсосберегающих технологий.
Однако используемые в пищевой промышленности способы консервирования, основанные на использовании тепловой стерилизации консервов, имеют существенные недостатки; они имеют значительную продолжительность тепловой обработки, что существенно ухудшает пищевую ценность готовой продукции по сравнению с исходным сырьем, а также требует значительных затрат тепловой энергии и воды.
Поэтому актуальная проблема создания новых, более эффективных, ресурсосберегающих и экологически безопасных технологических процессов производства консервов требует разработки новых способов консервирования и эффективных устройств и аппаратов для стерилизации консервов. Решение этой проблемы связано с использованием высокотемпературного ротационного и пароконтактного нагрева и лучистой энергии, например, электромагнитных полей и излучений сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ). Такие способы консервирования позволяют более рационально использовать плодово-ягодное сырье, энергетические и материальные ресурсы, а также повысить качество готовой продукции.
Основными путями интенсификации процесса стерилизации, на наш взгляд, являются: применение высокотемпературных теплоносителей; вращение тары в процессе тепловой обработки; пароконтактный нагрев консервов в банках конденсирующимся паром; увеличение начальной среднеобъемной температуры консервов перед стерилизацией с использованием тепловых и физических факторов и процессов, а также совершенствование способов охлаждения консервов после тепловой стерилизации. Решению указанных проблем и посвящена данная диссертация.
Тема диссертационной работы соответствует приоритетным направлениям науки и техники и критическим технологиям, утвержденным Правительством РФ в 2002 г., развитию направлений, определенных приоритетным национальным проектом «Развитие агропромышленного комплекса», целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг. по направлению «Экологически безопасные ресурсосберегающие производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания» (Госконтракт № П 1577 от 10.09.2009 г.), и плану научных исследований в ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет», финансируемому по госбюджету «Интенсификация технологических процессов пищевых производств» на 2009-2013гг.
Цель и задачи исследований. Цель данных исследований – разработка научных основ интенсификации процесса тепловой стерилизации консервов на основе новых способов консервирования и разработки эффективных устройств и аппаратов для стерилизации консервов с использованием пароконтактного и высокотемпературного ротационного нагрева, а также предварительного подогрева плодов и овощей в банках с использованием электромагнитного поля сверхвысокой частоты и тепловой энергии.
В соответствии с этой целью в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
– обосновать научную концепцию по созданию новых интенсивных экологически безопасных ресурсосберегающих способов консервирования, устройств и аппаратов для стерилизации консервов;
– разработать новые эффективные способы консервирования с использованием энергии СВЧ ЭМП;
– разработать конструкции устройств и аппаратов для тепловой стерилизации консервов с использованием высокотемпературного ротационного и пароконтактного нагрева;
– разработать математические модели исследуемых процессов для конкретизации и оптимизации параметров исследуемых процессов;
– установить оптимальные режимы стерилизации консервов с использованием пароконтактного и высокотемпературного ротационного нагрева и СВЧ энергии;
– разработать новые интенсивные способы охлаждения консервов после тепловой стерилизации;
– определить оптимальные частоты вращения тары при ротационной тепловой стерилизации;
– исследовать качественные показатели продуктов, полученных с использованием новых способов консервирования;
– разработать техническую документацию на новые способы консервирования с использованием традиционного тепла и СВЧ ЭМП;
– определить экономический эффект от внедрения предложенных способов консервирования на Буйнакском консервном заводе Республики Дагестан.
Научная концепция диссертационной работы заключается в решении проблемы по разработке экологически безопасных ресурсосберегающих производств и переработки сельскохозяйственного сырья на основе интенсификации процесса тепловой стерилизации консервов с использованием высокотемпературного ротационного и пароконтактного нагрева, повышения начальной среднеобъемной температуры консервов перед герметизацией с применением тепловой энергии, СВЧ ЭМП и эффективных способов охлаждения консервов после тепловой стерилизации.
Научная новизна. Разработаны теоретические и научно-технические принципы создания интенсивных технологий консервирования на основе комплексного использования высокотемпературного нагрева, вращения тары, интенсивных способов охлаждения, а также повышение начальной среднеобъемной температуры консервов с применением тепловой энергии и электромагнитного поля сверхвысокой частоты.
Предложены новые способы консервирования для различных консервов с использованием тепловой энергии и электромагнитного поля сверхвысокой частоты.
Разработаны новые способы воздушно-водоиспарительного охлаждения консервов после тепловой стерилизации в аппаратах непрерывного действия открытого типа с вращением тары и двухступенчатого охлаждения в автоклавах.
Разработаны и предложены новые конструкции устройств для предварительного подогрева плодов и овощей в таре перед стерилизацией:
– с использованием электромагнитного поля сверхвысокой частоты;
– с использованием нагретого воздуха;
– с использованием горячей воды.
Разработаны и предложены новые конструкции устройств и аппаратов для тепловой стерилизации консервов.
Разработаны математические модели:
– продолжительности процесса и скорости нагрева компотов в потоке нагретого воздуха с вращением тары;
– продолжительности процесса нагрева фруктовых натуральных соков в потоке нагретого воздуха с вращением тары;
– продолжительности ротационного охлаждения компотов и соков в потоке атмосферного воздуха;
– продолжительности ступенчатого воздушно-водоиспарительного ротационного охлаждения компотов и соков.
Новизна предлагаемых технических решений подтверждена 3 авторскими свидетельствами СССР и 403 патентами РФ на изобретения.
Практическая значимость работы заключается в разработке новых ресурсосберегающих способов консервирования и режимов стерилизации консервов, обеспечивающих сокращение продолжительности тепловой стерилизации до 25-30%, экономию тепловой энергии и воды до 20-30% и повышение качественных показателей готовой продукции.
Разработаны технические условия на производство консервов новыми способами консервирования: компот из абрикосов (ТУ 91 6311-001-2069504-06) и компот из яблок (ТУ 91 6311-002-2069504-06). Разработан и запатентован ряд устройств для предварительного подогрева плодов и овощей в таре и аппаратов для тепловой стерилизации консервов, и на их основе предложены новые интенсивные технологии производства различных консервов. Созданные аппарат для расфасовки и пароконтактного нагрева консервов, устройство для предварительного подогрева плодов и овощей в банках и аппарат для ротационной стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха экспонировались на выставках "Дагпродэкспо – 2006, 2008 и 2009" (г. Махачкала), где были удостоены золотых медалей.
В производственных условиях на Буйнакском консервном заводе апробированы новые способы консервирования, режимы тепловой стерилизации консервов и соответствующие устройства и аппараты.
На защиту выносятся следующие основные положения:
– концепция создания новых ресурсосберегающих экологически безопасных способов консервирования с использованием пароконтактного и высокотемпературного ротационного нагрева и ЭМП СВЧ;
– новые способы высокотемпературной ротационной стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха с воздушным и воздушно-водоиспарительным охлаждением;
– новый способ производства консервов посредством пароконтактного нагрева консервов в таре конденсирующим паром;
– новые способы консервирования плодовоовощных консервов с предварительным подогревом плодов и овощей в таре: горячей водой; горячим сиропом; воздействием СВЧ ЭМП; нагретым воздухом;
– новые способы консервирования с использованием двухступенчатой СВЧ-обработки плодов, овощей в банках перед герметизацией;
– новые способы консервирования плодово-ягодных соков СВЧ-обработкой в банках перед герметизацией;
– новые способы воздушно-водоиспарительного охлаждения консервов в стеклянной таре;
– новые способы охлаждения консервов в стеклянной и жестяной таре после тепловой стерилизации в автоклавах;
– способы определения оптимальной скорости вращения банки при ротационной стерилизации;
– новые конструкции аппаратов и устройств для тепловой стерилизации консервов: аппарат для ротационной стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха; аппарат для расфасовки и пароконтактного нагрева консервов; аппарат для воздушно-водоиспарительного охлаждения консервов после тепловой стерилизации в стеклянной таре; устройство для пароконтактной стерилизации и хранения консервов; устройство для подготовки стеклотары перед наполнением; устройство для подогрева и пастеризации консервов в СВЧ-поле; устройство для подогрева плодов и овощей в банках горячей водой и устройство для подогрева плодов и овощей в банках горячим воздухом.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены в период с 1978 по 2010 гг. на 23 конференциях различного уровня, в том числе 15 Всесоюзных (Махачкала, 1981 г., 2008 г., 2008 г.; Саранск, 1982 г.; Ленинград, 1986 г., 1991 г.; Москва, 1983 г.,1988 г.; Киев, 1991 г., 1998 г.; Воронеж, 2000 г., 2004 г.; Ставрополь, 2001 г.; Нижний Новгород, 2006 г, Краснодар, 2008 г.), 8 конференциях с международным участием (С.-Петербург, 1996 г.; 2001 г.; 2007 г., Махачкала, 1999 г.; 2009 г., Воронеж, 2004 г., Москва, 2001 г., Краснодар 1998 г.), Междисциплинарном научном симпозиуме «Механизмы участия воды в биоэлектромагнитных эффектах» Дагестан–2010 и научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников и студентов ДГТУ.
Публикации. Основные научные положения диссертации опубликованы в 2-х монографиях, 35 научных статьях в рекомендованных ВАК РФ журналах, 42 тезисах докладов на различных конференциях; получены 3 авторских свидетельства СССР и 403 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, состоящего из 613 источников, в т.ч. 46 иностранных авторов, и приложений. Работа изложена на 425 страницах машинописного текста и включает 127 рисунков и 33 таблиц.
Краткая характеристика основных способов тепловой стерилизации консервов
Тепловая стерилизация включает в себя целый ряд способов тепловой обработки пищевых продуктов, к основным из которых, используемых в консервной промышленности, относятся:
- стерилизация пищевых продуктов в герметически закрытой таре;
- стерилизация методом «горячего розлива»;
- асептическое консервирование;
- стерилизация в потоке;
- вынужденное перемешивание продукта путем вращения тары. Стерилизация пищевых продуктов в герметически закрытой таре.
Этот способ тепловой стерилизации наиболее распространен в практике консервной промышленности.
В зависимости от температуры стерилизации, давления, возникающего в банке при нагревании, и вида тары, консервы стерилизуют либо в открытых аппаратах (пастеризаторах непрерывного действия) при атмосферном давлении, либо в закрытых аппаратах (автоклавах или аппаратах непрерывного действия) с применением избыточного давления. Для осуществления процесса стерилизации в автоклавах в качестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар, нагретая вода, а в пастеризаторах и стерилизаторах непрерывного действия - водяной пар, нагретая вода и высокотемпературные органические вещества (глицерин, этиленгликоль и др.).
Процесс стерилизации проводят по определенным режимам, которые выражают в виде «формул», представляющих собой схематическую запись основных параметров процесса стерилизации.
Способ обладает существенными недостатками:
- значительная продолжительность тепловой обработки, измеряемая десятками минут, притом разная для банок различных размеров;
- невозможность стерилизации консервов в таре крупного размера (например, в банках 10 л и более);
- периодичность обработки (для автоклавов), что затрудняет создание поточных автоматизированных линий производства консервов;
- ухудшение качества консервов из-за необходимости подвергать продукт длительной тепловой обработке;
- неоднородность тепловой обработки, из-за которой наружные слои продукта сильно перегреваются по сравнению с внутренними, что приводит к ухудшению качества консервов.
Стерилизация консервов способом «горячего розлива». Способ «горячего розлива» в настоящее время в практике консервной промышленности применяется при производстве некоторых консервов (преимущественно гомогенной консистенции) в крупной таре (Зли более) преимущественно для потребностей общественного питания.
Сущность способа заключается в следующем. Продукт при высокой температуре расфасовывают в крупную тару, и за счет длительного сохранения тепла обеспечивается инактивация побочной микрофлоры, попавшей в продукт со стенок банки, крышки, а также из воздуха при укупорке. Подавление основной микрофлоры продукта может быть осуществлено как за счет этого же тепла, так и при предварительном нагреве перед расфасовкой.
Способ очень прост в осуществлении, но, однако, обладает рядом существенных недостатков. Способ практически можно использовать для продуктов гомогенной консистенции (натуральные соки, соки с мякотью, томатопродукты и т.д.), расфасованных в тару емкостью свыше 3-х литров, хотя в литературе имеются некоторые сведения о применении этого способа для гетерогенных продуктов. Кроме того, для металлической тары высокая температура фасовки продукта приводит к возникновению после охлаждения вакуумной деформации корпуса банки и браку продукции, а для стеклянной тары высокая температура грозит термическим боем тары.
Асептическое консервирование. В основу этого способа заложен новый принцип тепловой стерилизации пищевых продуктов. Благодаря разработке нового метода асептического консервирования, появилась возможность интенсифицировать тепловую обработку продукта и, в результате, уменьшить ее вредное влияние на качество консервируемой продукции [108]. Сущность метода асептического консервирования заключается в том, что стерильный продукт, полученный, как правило, вследствие его тепловой обработки в потоке, после охлаждения разливают в стерильных условиях в стерильную тару, которую герметизируют в условиях, исключающих попадание в нее микроорганизмов [406]. Асептический метод используется при консервировании жидких и пюреобразных продуктов, содержащих твердые частицы с линейными размерами до 12 мм [368]. Асептический метод имеет широкие возможности для ускорения технологических процессов при консервировании продуктов, улучшает качество продукции, снижает потери сырья благодаря интенсификации производственного процесса и сокращению длительности хранения его запасов. Асептическое консервирование позволяет заготавливать полуфабрикаты без добавления консервантов, как в центрах сырьевых зон, так и в местах массовой реализации готовой продукции с использованием больших емкостей для хранения и доставки полуфабриката.
Созданная фирмой «APVInternational Ltd» (Великобритания) система для асептического розлива плодовых соков содержит узел асептического розлива Tetra Рак АВ8, танки-сборники, пастеризационную установку SR 30 Paraflow, систему клапанов дистанционного управления и микропроцессоры [390]. Частично оттаявший концентрированный сырой сок после разбавления до естественной концентрации предварительно нагревают от секции регенерации и подают в пластинчатый пастеризатор. В нагревающую секцию пастеризатора подают тепло от узла воды и секции регенерации с целью быстрого достижения температур стерилизации. В этот момент устанавливается время выдерживания, которое составляет 30 минут, после чего начинается цикл охлаждения сока посредством циркулирующей холодной воды. Температура сока снижается до 30С. Эффективность регенерации тепла в системе составляет — 90%, поэтому для поддержания температуры стерилизации требуется небольшой объем пара. Система обеспечивает поступление в узел розлива только стерильного продукта.
Для улучшения качества яблочного, томатного и апельсинового соков была разработана технология их прямой стерилизации/пастеризации, предусматривающая инжекцию в предварительно концентрированный продукт пара и стерильной дегазированной воды для стадий нагрева и охлаждения, соответственно, при необязательной инжекции ароматических веществ [393]. Результаты опытов, проведенных на установке, созданной немецкими специалистами, подтверждают влияние обработки на гибель микроорганизмов в продукте. Несмотря на то, что прямая стерилизация значительно улучшает качество обрабатываемого продукта по сравнению с традиционным способом обработки, исследованиями установлено ее неблагоприятное влияние на ор-ганолептические показатели соков, на содержание L- аскорбиновой кислоты, тиамина и оксиметилфурфурола, а также на характеристики осаждения [387, 398].
Фирмой «Альфа Лавалъ Инк.» (США) создана система асептической обработки плодовых соков, пюре и гетерогенных продуктов, включающая такие узлы, как теплообменник Contherm с очищаемой поверхностью, установку Convap, стерилизатор Steridrink для соков и микропроцессор Alert 5, с помощью которого контролируются процессы предварительной стерилизации и чистки оборудования [369]. Система также может обрабатывать вязкие жидкие продукты, обеспечивая при этом контроль качества готовой продукции.
Компания «Actini» (Франция) разработала систему «Actijoule», посредством которой осуществляется пастеризация плодового пюре до фасования, например, в упаковки «Elopak» [396) и плодовых соков до их розлива в асептическую упаковку типа «Tetrapak» [386]. Способ нагрева в системе предусматривает создание низкого давления в трубе, по которой проходит продукт. Тепло, генерируемое в ней вследствие эффекта Джоуля, передается непосредственно продукту. В зависимости от вида обрабатываемого сока рассчитывают режимы пастеризации: температура 86 -102С, время выдерживания 15-35 секунд. Температура обработки может достигать и 140С, что необходимо, например, для ультравысокотемпературной стерилизации продуктов, содержащих молоко. При пастеризации плодового пюре температура может устанавливаться в пределах 72-105С в зависимости от вида плодов. Система «Actijoule» обеспечивает сохранение органолептических свойств продуктов и их высокое микробиологическое качество. Она может быть использована для пастеризации гетерогенных продуктов.
Применение математического эксперимента при расчете режимов тепловой стерилизации компотов в потоке нагретого воздуха
С целью сокращения сроков разработки новых технологических процессов, повышения эффективности экспериментальных исследований, поиска моделей этих процессов и оптимальных значений, определяющих явление факторов, часто необходимо поставить серию опытов. Применение в этом случае аппарата математического планирования эксперимента позволит реализовать известные преимущества этой теории, связанные с получением конечной цели, точнее в количественном отношении и при заметно меньшем количестве опытов, а значит, за короткий срок исследований. Таким образом, задачи оптимизации и поиска модели являются одними из наиболее важных задач в практике исследований.
Однако, известно большое разнообразие различных типов планов. И выбор одного плана для решения поставленной задачи должен быть обоснован [3]. На основе анализа имеющихся рекомендаций для более обоснованного выбора конкретного и «лучшего» плана эксперимента рекомендуется выполнить на следующие условия:
1. Исходя из анализа априорной информации, а также собственных исследований, необходимо установить факторы, от которых исследуемое явление зависит. В данной задаче продолжительность нагрева т компота до 100С зависит от четырех основных факторов: температуры нагретого воздуха Ть скорости воздушного потока v, объема банки V и начальной температуры продукта Т2.
2. Необходимо априорно определить вид математической модели, которой нужно аппроксимировать результаты опытов. На основе анализа кривых, построенных по результатам предварительной серии опытов, а также данных других авторов, и учитывая сравнительно простую и в то же время универсальную структуру, принята степенная зависимость искомой функции (т) от определяющих факторов
3. Определение интервалов и числа уровней варьирования факторов. Интервалы варьирования факторов приняты, исходя из значений, встречаемых в реальных практических условиях, возможности реализации на лабораторной установке; их можно считать оптимальными для исследуемого процесса:
4. Определение статистических критериев, по которым искомый план эксперимента должен быть оптимальным. Критерии оптимальности плана являются аксиомами, на которых базируется математическая теория планирования эксперимента. Представляется вполне естественным желание получить расчетные зависимости, дающие меньшие расхождения при сравнении с результатами других (независимых) опытов, которые не учтены при получении искомых зависимостей, или с данными заводских условий. Получение такой модели гарантируется, в частности, при проведении опытов по Q-оптимальному плану. Для Q-оптимальных планов средняя дисперсия оценки модели является минимальной. Достаточно большое число планов эксперимента наряду с оптимальностью по другим статистическим критериям являются одновременно и D-оптимальными [3]. Для таких планов обобщенная дисперсия вектора коэффициентов регрессии является минимальной. Можно потребовать также оптимальность выбираемого плана эксперимента по G-критерию. В таком случае в области изменения факторов (область планирования) не окажется отдельных точек, в которых точность предсказания будет слишком низкой. G-оптимальные планы построены, исходя из условия минимизации максимального значения дисперсии оценки модели. Таким образом, выбираемый план эксперимента для решения задачи будет лучшим по сравнению с другими планами, если он будет удовлетворять Q-, G-, D- и др. статистическим критериям оптимальности [3]. План эксперимента должен быть насыщенным (или близким к насыщенному), т.е. желательно проведение минимального числа опытов. Наилучшим для решения данной задачи является план В4, ядром которого является ПФЭ 24, а "звездные" точки расположены на расстоянии ±1 от центра плана. План эксперимента приведен в таблице 3.2 (столбцы 2 — 5).
После выбора плана эксперимента на лабораторной установке были поставлены опыты в соответствии с планом В4 со случайным выбором номера очередного опыта с целью исключения влияния на исследуемый процесс систематических ошибок. При этом число повторов опытов было принято равным двум (т = 2), основываясь на том, что результаты повторных опытов в предварительной серии давали незначительные расхождения. Условия проведения и результаты опытов с повторами представлены в таблице 3.2 (столбцы 2-5 и 6-7).
За практической реализацией плана эксперимента следует задача создания математической модели, количественно связывающей факторы эксперимента Хі5 Хг, Хз, ., Xm с откликом Y. Данная процедура является предметом регрессионного анализа.
Рассмотрим подробно получение зависимости для расчета продолжительности нагрева т компота до 100 С, остальные расчетные зависимости получены аналогично и приведены лишь конечные результаты расчетов. Обработка данных выполнена на ЭВМ и включает следующие этапы.
Для случая одинакового числа повторов опытов т=2 проверка воспроизводимости эксперимента осуществлена с помощью критерия Кохрена
Матрица X составлена на основании учета первых пяти членов уравнения (3.6) и плана эксперимента: значения первого столбца соответствует фиктивной переменной Х]=1, при свободном члене Ьь а столбцы 2-5 — это значения X2,x3jX4,X5 в каждом опыте (таблица 3.1). Таким образом, формируется план эксперимента в виде матрицы X(N,p). Составляем транспонированную матрицу Хт (р, N) и получаем матрицу С (р, р) в результате умножения исход-ных матриц, т.е. С=Х Х. Далее находим обратную матрицу С" по схеме Жордана-Гаусса и вычисляем по (3.13) коэффициенты регрессионной модели.
Аппарат для расфасовки и пароконтактного нагрева консервов в банках
Аппарат [69] предназначен для расфасовки и пароконтактного нагрева пищевых продуктов непосредственно в банках и может быть использован для расфасовки и тепловой стерилизации консервов гетерогенной консистенции (компоты, маринады, зеленый горошек и т.д.) Схема аппарата в нерабочем состоянии представлена на рисунке 4.10, а в рабочем состоянии - на рисунке 4.11; общий вид аппарата представлен на рисунках 4.12 и 4.13.
Аппарат состоит из каркаса 1, секционного дозатора плодов 2, подъемного столика 3, подвижных цилиндрических камер 4 с пружинами 5, барбатеров 6 и неподвижных цилиндрических втулок 7.
К дозатору приварены конические направляющие 8, заканчивающиеся втулками 9; аппарат снабжен также паропроводом 10, патрубками для подачи заливочной жидкости (сироп, рассол) 11 и загрузочным бункером 12.
Аппарат работает следующим образом. Банки 13, подготовленные для расфасовки плодов, транспортером подаются на накопительный стол, откуда ряд банок подталкивается на подъемный столик 3, который поднимается, вместе с банками до упора об фланец подвижных подпружиненных цилиндрических камер 4, при этом в барбатеры 6, закрепленные в неподвижных цилиндрических втулках 7, входят в банки; при несоосности расположения банок под прижимными головками, за счет угла наклона барбатеров, банки самоцентрируются посредством касания внутренней стенки горловины с вводимыми в банку барбатерами. По ходу движения подъемного столика 3 банки, поднимаясь, упираются во фланец подвижных цилиндрических камер 4 и вместе с ними поднимаются к секционному дозатору плодов 2; при этом втулки 9 конических направляющих 8 входят вовнутрь подвижных цилиндрических камер 4, через которые осуществляется подача плодов в банки из нижних секций дозатора при его повороте на 180.
В стенках подвижных цилиндрических камер сделаны пазы 14, обеспечивающие возможность перемещения цилиндрических втулок, относительно барбатеров и патрубков для подачи заливочной жидкости. В процессе расфасовки, для обеспечения плотной укладки плодов, подъемный столик с банками и дозатор вибрируют. Одновременно, когда из одних секций дозатора (расположенных внизу) идет расфасовка плодов, другие секции, расположенные соосно с ними в верхнем положении, заполняются плодами. При этом секции дозатора, по объему несоответствующие объему используемой тары (нерабочие), закрываются кожухом.
После заполнения банок плодами в банки через патрубки 11 заливают сироп (рассол), и через барбатеры 6 подается греющий пар. Установка барбатеров под углом 3-5 обеспечивает равномерный нагрев продукта по всему сечению банки.
После достижения необходимой температуры продукта, подача пара прекращается, подъемный столик с банками опускается, и при нижнем положении подъемного столика банки сталкиваются на отводящий транспортер, а на их место подаются другие банки.
Разработка режимов стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха с воздушным и воздушно-водоиспарительным охлаждением при вращении тары
При стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха с воздушным и воздушно-водоиспарительным охлаждением при вращении тары в обязательном порядке в формуле стерилизации необходимо ввести следующие параметры: начальная температура продукта Т0, температура греющей среды Ть температура теплоносителя в камере выдержки Т2, температура охлаждающего воздуха Т3, скорость греющей х и охлаждающей v2 сред, а также продолжительности подогрева ть выдержки т2, охлаждения т3 и частота вращения тары п.
Учитывая вышесказанное, "формулу" стерилизации для ротационной стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха с воздушным или воздушно-водоиспарительным охлаждением можно представить в следующем виде.
На рисунке 7.20 представлены кривые прогреваемости (1,2) и фактической летальности (3,4) консервов "Компот из черешни" в банках СКО 1-82-500 при стерилизации в потоке нагретого воздуха с воздушно-водоиспарительным охлаждением по режиму.
Где 50 - начальная температура продукта, С; 26 - продолжительность периода нагрева продукта от 50 до 100С, мин; 7 - продолжительность периода воздушно-водоиспарительного охлаждения, мин; 120 - температура нагретого воздуха в камере стерилизации, С; 32 - температура охлаждающего воздуха, С, 4,5 и 5,0 - скорости воздуха в камерах стерилизации и охлаждения; 0,133 - частота вращения банки, с"1.
По продолжительности данный режим стерилизации на 27 мин короче по сравнению с режимом действующей технологической инструкции и обеспечивает требуемую величину стерилизующего эффекта, которая для компотов составляет 150-200 усл. мин.
Кроме того, режим обеспечивает равномерную тепловую обработку консервов по всему объему; коэффициент крайней неравномерности тепловой обработки (Кк.н.), характеризующий равномерность нагрева, равен Ккн =230,29/25,031=1,09. На рисунке 7.21 представлены кривые прогреваемости (1,2) и фактической летальности (3.4) в наименее (2,4) и наиболее (1.3) прогреваемых точках консервов "Компот из черешни" в банках СКО 1-82-500 по режиму
Режим обеспечивает промышленную стерильность консервов, так как величина стерилизующего эффекта больше требуемого значения и обеспечивает равномерный нагрев; коэффициент крайней неравномерности равен Кк.н =215/186=1,16.
Режим обеспечивает промышленную стерильность консервов и сокращение продолжительности по сравнению с режимом действующей технологической инструкции.
На основании проведенных исследований разработаны новые режимы высокотемпературной ротационной стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха с воздушным [140-214] и воздушно-водоиспарительным охлаждением [215-218]. Режимы стерилизации компотов представлены в таблицах 7.3 и 7.4.
Для практической реализации процесса высокотемпетурной ротационной стерилизации консервов в потоке нагретого воздуха с воздушно-водоиспарительным охлаждением разработана конструкция аппарата [91] для стерилизации консервов, схема которого представлена на рисунке 7.26.
