Введение к работе
Среди многообразных способов сохранения пищевых продуктов - охлаждения и замораживания, сушки, посола, квашения, варки с сахаром, добавления в продукт консервантов и др., - тепловая обработка продуктов, помещенных в герметичную тару, занимает особое положение. Именно этот способ производства позволяет получить продукт, длительность хранения которого без потерь качества может быть весьма значительной .
В основе способа лежит принцип термической инактивации микроорганизмов, имеющихся внутри тары с продуктом, прекращения деятельности присущих данному продукту ферментов и взаимодействия ряда химических компонентов.
Пройдя длительный путь применения, сопровождающийся со!">тіііоистг!Олр.'і!''-м г.эх нолог и чєск их операций, появлением морях вилот тары, оборудования для осуществления процесса стерилизации, а в последние десятилетия широкими исследованиями, позволяющими найти теоретические основы процесса и решить многие практические вопросы, консервирование продуктов путем термической стерилизации заняло главенствующее положение среди других, способов сохранения продуктов. Объемы продукции, выпускаемой с помощью этого способа в большинстве стран мира, постоянно растут. Расширяется и ассортимент консервируемых продуктов, начиная от однофазных сред - соков, пюре, паст,- и кончая сложными по составу продуктами, включающими твердую и жидкую фазы (зеленый горошек, компоты, первые и вторые обеденные блюда и т.д.).
Применяемая для консервирования тара также многотип-на: жестяные и алюминиевые банки, стеклянные банки, алюминиевые тубы, полимерные упаковки. Последние, правда, имеют ограниченное применение для стерилизуемой продукции ввиду недостаточной термоустойчивости материалов и прочности изготавливаемой из них тары.
Консервированная путем термической стерилизации продукция выпускается, как правило, в упаковках вместимостью
до 3 л, и только некоторые продукты, например, томатная паста, в банках вместимостью до 10 л. Такие упаковки устраивают очень широкий круг потребителей, обеспечение которых консервами осуществляется через сеть розничной торговли. Однако, давно выявилась заинтересованность некоторых потребителей в получении консервированных продуктов в значительно более крупных упаковках. К ним относятся предприятия, использующие консервированную продукцию в качестве полуфабрикатов, применяемых затем для выпуска многокомпонентной продукции, например, рыбных консервов в томатном соусе, порционных блюд в предприятиях общественного питания, а также в структурах вооруженных сил.
Употребление такими потребителями консервов в традиционных упаковках не всегда удобно, особенно с учетом необходимости утилизации пустой тары после использования продукта или того вреда, который наносится экологии, если эту тару просто выбрасывают. До недавнего времени потребители больших количеств полуфабрикатов должны были мириться с неудобствами, связанными с поступлением продукции в мелкой таре, или получать полуфабрикат, консервированный другим методом. Например, предприятия кондитерской промышленности получают в значительных количествах в бочках яблочные пюре и пульпу, консервированные диоксидом серы, что на стадиях как заготовки, так и переработки полуфабриката создает тяжелые условия труда для обслуживающего персонала. Применить же тепловую стерилизацию для заготовки полуфабрикатов в крупной таре было невозможно, т.к. длительность теплового воздействия на продукт при значительных размерах тары приводила к снижению его качества или полной непригодности. Обусловлено это тем, что для достижения требуемой степени стерильности продукта во всем объеме тары необходимо достижение определенной температуры о л:-з6ой зоне внутри ее, в том числэ и с наименее прогр&гссг.Он точке, находящейся на геометрической оси тары. При этом прилегающие к стенкам тары слои продукта перегреваютя, и такой перегрев тем больше, чем больше размеры тары. Перегрев негативно сказывается на качестве значительной части продукта, особенно если он имеет высокую вязкость и теплообмен осуществляется кондуктивно (за счет теплопроводности). Нап-
)
ример, при попытке консервирования томатной пасты методом горячего розлива в молочных флягах вметимостью 38 л. охлаждение продукта о центре неподвижной тары с 95 С до 45С занимает 11 часов. После такой тепловой обработки продукт становится непригодным для использования.
Таким образом, целесообразность выпуска многих продуктов в крупной таре и техническая невозможность осуществления его традиционными способами термической стерилизации определили актуальность проблемы, решению отдельных вопросов которой посвящена настоящая работа.
В результате комплексных исследований и многолетней практической деятельности ПНИИКОПом разработаны два технологических процесса: 1) консервирование люреобраэных продуктов в крупной таро с применением вращения: 2) асептическое консервирование жидких и пюреобраэных продуктов в крупных резервуарах. Представляемая автором работа является ч"огь'5 діі'имх разработок, касающейся особенностей технологических параметров операции, влня>:^и;: на качество получаемой при этом готовой продукции.
Цель работы - изыскать научно-обоснованные технологические параметры производства консервов в крупной таре, ^Зеспечивагещие надлежащее качество и надежность в хранении шореобразных продуктов.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать влияние вращения крупной (30-100 л) тары с пюреобраэными*продуктами на ускорение их стерилизации и охлаждения:
разработать технологические параметры и схему консервирования таких продуктов;
изучить технологию стерилизации крупных резервуаров, предназначенных для хранения и транспортирования асептически консервируемых продуктов, разработать методику выбора оптимального режима стерилизации резервуаров и определить условия его выполнения при промышленной эксплуатации оборудования;
-исследовать в рамках разрабатываемой технологии асептического консервирования взаимосвязь технологических параметров с процессами тепловой обработки при стерилиэа-
цни и охлаждении продуктов, получи,ь данные дли выбора конструкции стерилизационно-охладительного оборудования.
Научна. п__н о в_>1 эна_ работы:
1 ) Исследовано перемешивание продуктов при вращении тары, влияние его на интенсификацию теплообмена, на осно-ваниии чего разработана технологическая схема процесса консервирования продуктов в таре вместимостью 30-100 л.
с.) Получены экспериментальные данные, характеризующие термическую стерилизаций резервуаров, предназначенных для хранения и транспортирования продуктов, консервированных асептическим методом. Разработана методика выбора оптимальных параметров стерилизации резервуаров.
3) Предложена аналитическая зависимость, .характеризующая асинхронность термической стерилизации резервуаров и установленных на них патрубков.
і ) Обоснована необходимость и возможность при асептическом методе консервирования уменьшения теплового воздействия на продукты при их стерилизации и сохранения за счет этого их пищевой ценности.
5) Изучен дисперсный состав частиц пюреобразных продуктов, являющийся исходным параметром для определения конструктивных элементов оборудования для вакуумного охлаждения .
Практическая^ ценность работы заключается в использовании ее'результатов в технологических регламентах основ-н.-іх операций разработанных методов консервирования, в исходных требованиях к разрабатываемому оборудованию и в расчетах отдельных его элементов.
Результаты работы реализованы при разработке нормативно-технической док чентации, создании комплектов оборудований для асептического консервирования жидких и пюреобразных продуктов. а также перефасовки (марки А9-ККИ, Л9-КП0. Л9-КРК), резервуаров для хранения продуктов (A9-KlC), автопоезда-цистерны (А9-КЕД), контейнера-цистерны (АВА-5РЄ).
Апробация„„работы. Основные результаты исследований доложены на симпозиуме по консервной промышленности, проведенном Венгерским Внешнеторговым предприятием по экспорту сельс.очозпйственных машин, машин пищевой промышленное-
ти и комплектного оборудования "Комплекс" (Москва, 1972 г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях по вопросам теории и практики стерилизации и пастеризации пищевых продуктов (Одесса, 1975 г.; Махачкала, 1981 г.), на Всесоюзных семинарах по асептическому консервированию плодоовощных продуктов (Андижан, 1978 г.; Тирасполь, 1985 г.), на Международной конференции "Консервные дни" (Брно, 1988 г.).
Диссертация в форме научного доклада изложена на 34 стр., содержит 3 таблицы, 11 рисунков.
По результатам обобщенных в научном докладе исследований опубликовано 25 работ, в том числе 7 авторских свидетельств на изобретения.
2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОНСЕРЕМРОЛАПИЯ ПЮРЕОБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ В ТАРЕ ВМЕСТИМОСТЬЮ 30-100 Л С ПРИМЕНЕНИЕМ ВРАЩЕНИЯ.
Интенсификация теплообмена при консервировании в автоклаве продуктов в небольшой по объему таре различной конфигурации изучалась Б.Л.Флауменбаумом, М.С.Аминовым, Г.М.Евстигнеевым, многими зарубежными исследователями. Всеми исследованиями однозначно отмечался эффект от вращения -равномерность обработки продукта, более полное сохранение его качества, сокращение времени тепловой обработки по сравнению с нагреванием и охлаждением в стационарных условиях в 10-15 раз в зависимости от видов продукта и тары. Наш анализ результатов этих исследований позволил сделать вывод о нелинейной зависимости времени тепловой обработки от размеров используемой тары, причем с увеличением вместимости тары наблюдалось лишь небольшое приращение времени. Поэтому нами была предпринята попытка осуществить консервирование продуктов в таре большой вместимости (флягах, 38 л и бочках, 100 л) без применения автоклавов, используя метод "горячего розлива" (наполнение тары горячим продуктом) с последующим интенсивным перемешиванием содержимого во время стерилизации и охлаждения за счет ротации.
Использовавшееся ранее объяснение эффекта интенсификации теплообмена при вращении тары с продуктом эаключа-
лось в механическом воздействии на продукт паро-воздушного пузыря, имеющегося в каждой не полностью заполненной банке. Такая гипотеза вызывала сомнение, т.к. не находилось убедительного объяснения получения пузырем достаточного энергетического потенциала и причин возникновения такой траектории его движения, которая обеспечивала бы равномерность перемешивания. Поэтому разработка предложенного способа сопровождалась изучением кинетики перемешивания [2].
При исследованиях были использованы 4 экспериментальных установки, три из которых были разработаны и изготовлены ВНИИКОП при непосредственном участии автора, в том числе экспериментальный стерилизатор-охладитель для бочек и фляг производительностью 1 т/ч [4], [8].
Вращение тары с продуктом или с модельной средой осуществляли во всех случаях вокруг горизонтальной оси. Большая ось тары (ось симметрии) располагалась по разному: совпадала с осью вращения (так называемое вращение "вокруг оси"), была перпендикулярна оси вращения (вращение "с донышка на крышку") или занимала промежуточное положение, т.е. составляла с осью вращения угол 45 (вращение -по методу "пьяной бочки").
Для изучения перемешивания применялись фотограммы, методы визуализации содержащихся в таре жидкостей - водь, глицерина и его растворов, - а также непосредственные замеры температуры продуктов во вращающейся таре. Замеры температуры проводились с помощью хромель-копелевых термопар, многоточечного прибора КСП-4 и специально разработанных двух типов токосъемных устройств, позволяющих проводить измерения во вращающихся объектах.
При разработке метода консервирования изучалось изменение во времени температуры в различных точках внутри тары в зависимости от скорости ее вращения, анализировалось качество продуктов, исследовалась герметичность выбранных видов тары. Отделом микробиологии ВНИИКОП проведены исследования в лабораторных и производственных условиях по изучению кинетики отмирания микроорганизмов.
Для экспериментаьных работ с продуктом, в том числе и для выработки опытных партий, использовали томатную пасту и яблочное пюре, причем большинство опытов проводили с
томатной пастой. Такой выбор был обусловлен тем, что томатная паста является наиболее вязким из пюреобразных плодоовощных продуктов и тепловая обработка ее в стационарных условиях требует длительного времени.
Основным показателем- качества томатной пасты был определен цвет, т.к. это наиболее характерный объективный показатель, по которому можно судить о степени воздействия на продукт термической обработки и получении в итоге продукции того или иного сорта. Определение цвета проводили по йодной шкале, т.к. этот метод стандартизирован и освоен на предприятиях. Метод фиксирует потемнение томат-пасты, степень которого коррелирует с повышением показателя шкапы. Содержание витамина С определялось стандарным методом.
В результате исследований установлено, что интенсификация теплообмена является следствием перемешивания нахо-." "ійі'ісл " т ;_'-:> срз;ды, возникающего за счет переноса стен-K?.t',i тары части продукта, что приводит к появлению течения, проходящего через центральную чисть тары. С увеличением до определенных пределов скорости вращения возрастает влияние сип инерции по отношению к силам вязкости, растет конвекция, а доля теплоты, передаваемой теплопроводностью, уменьшается. Этим объясняется и тот факт, что использование вращения для обработки высоковяэких продуктов дает более значительный эффект, чем при обработке маповяэких сред
Условием, обеспечивающим взаимное перемещение частиц продукта во вращающейся таре, является наличие в ней свободного пространства. Это подтверждается фотограммами, фрагменты которых приведены на рис.1., и графиком (рис.2) зависимости оптимальных оборотов от степени наполнения тары,- полученным при вращении тары вокруг горизонтальной оси, совпадающей с осью тары. Из фрагментоз 2,3 фотограмм (рис. 1) благодаря следам, оставленным на фотопленке пузырьками воздуха, видно сдвиговое течение в пристеночной части тары (зона А) и течение через центральную часть банки (зона Б). При больших скоростях вращения (фрагмент І) свободное простанство перемещается в центральную часть тары, а содержащаяся в ней среда вращается без сдзига слоев с одинаковой со стенкой тары угловой скоростью. При этом ускорения теплообмена по сравнению со статичной тарой не
У 1
Рис.1. Фрагменты йотограмм, использованных для изучения кинетики перемешивания томатной пасты /1/ и глицерина /2,3,4/ при скоростях вращения, рад/с: 1-1,57; 2-2,1; 3-7,22: 4-27.
Из рис.2, следует, что с уменьшением степени наполнения тары менее 0,5 опт|:г.:^пькыо скорости сращения уменьшаются, тогда как в случае ранее существующей теории о перемешивающей функции паро-воздушного пузыря они должны увеличиваться. Это является одним из подтверждений некорректности упомянутой теории.
Рис.2. Зависимость оптимальной скорости сращения от степени наполнения тары.
Некоторую большую эффективность вращения по способу "с донышка на крышку" (например, по данным экспериментов по рис.5) по отношению к вращению вокруг оси следует от-нести к возникновению в этом случае дополнительного перемешивания продукта в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения. Это объясняется проявлением воздействия на продукт стенок тары*. криволинейная поверхность которой при перемещении в пространстве контактирует циклически с продуктом под различными углами на участках изменяющихся размеров .
Исследования показали, что с увеличением скорости вращения происходит выравнивание температурного поля в различных зонах тары, причем на скоростях вращения, обеспечивающих наиболее эффективный теплообмен, или близких к ним, температура выравнивается во всем объеме тары (рис.3) Значительное превышение оптимальной скопости вращения приводит к снижению эффекта выравнивания температурного полч и даже исчезновению его.
t:c,
ЗО 60 90 12Q f МИН .
Рис.3. Изменение температуры томатной пасты в бочке в зависимости от времени охлаждения
х - точки расположения термопар.
Л - о статических условиях.
Б - при вращении тары.
На рис.4, представлены зависимости времени охлаждения от 80 до 40С томатной пасты во флягах вместимостью 38 л и бочках вместимостью 100 л, вращаемых по методу "с донышка на крышку", а в одном случае (для бочки) при наклоне ее оси к горизонту под углом 45 ("пьяная бочка"). Минимальное время охлаждения продукта во фляге и бочке при степени наполнения тары 0,9 и вращении с донышка на крышку составило соответственно 18 и 35 минут. Уменьшение стспанп исполнения в интервале 0,9-0,7 сдоигкат с сторону увеличения диапазон скоростей наилучшего теплообмена. При охлаждении продукта по методу "пьяной бочки" имеется незначительное .ускорение процесса охлаждения, чем при вращении с донышка на крышку при той же степени наполнения.
1 2. З Ч З 3 й), рад/с
Рис.4. Зависимость времени охлаждения от 80 до 40С томатной пасты от скорости вращения при степени наполнения: для бочек х - 0,9; о - 0,8; nj - 0,7;Д- 0,3; для Фляг Б - 0,3. Вращение: 1,2,3,4 - с донышка на крышку; 5-е углом наклона оси тары к оси вращения \Ч .
На рис.5. приведены графики зависимости времени охлаждения от скорости вращения для яблочного пюре, расфасованного во фляги вместимостью 38 п пои степени наполнения 0,9. Из графиков видно, что охлаждение яблочного ппре происходит быстрее, чем томатной пасты, а скорости вращения, при которых обеспечивается наиболее быстрое охлаждение, несколько выше. Полученные данные о скоростях охлаждения томатной пасты и яблочного пюре в бочках' и флягах позволили сделать вывод, что пои использовании эффекта вращения можно быстро охладить гонсервируемые в крупной таре продукты, . что позволит в значительной степени сохранить их качество.
8 «>,ра2/с
Рис.5. Зависимость времени охлаждения во флягах яблочного пире от 80 до 40С от скорости вращения, х-вращение с донышка на крышку; о-вращение вокруг оси.
Экспериментальная проверка, заключавшаяся в консервировании томатной пасты в бочках и флягах и яблочного пюре во флягах, подтвердила возможность получения в крупной таре продуктов достаточно высокого качества. В таблице 1 приведены данные, характеризующие изменения цвета томатной пасты и содержания в ней витамина С при консервировании с ротацией во флягах (30 л), а также в стационарных условиях по промышленной технологии в банках №14 вместимостью 3 л (контрольные образцы).
Подогретый до 88 или 92С продукт фасовали в предварительно промытые и прошпаренные фляги, которые после герметизации вращали без охладения в течение 30 или 15 минут соответственно с целью стерилизации продукта, стенок тары
и оставшегося в ней воздуха. Затем в течение 25 минут осуществляли охлаждение продукта путем орошения вращавшихся фляг водой, имеющей температуру 10"С.
Таблица 1 Показатели потемнения цвета и содержания витамина С консервированной томатной пасти.
Длитель-J Показатели -'я'"'~.тр л
ность |
обработ-|После стерилн- |После храк
ки, мин |зацпи |ния в тече
| |ниє 2-х ме
j _|сяцоп
Стл- ]0''- | Цвет , | Витамин |Цгзет, | Зн
|п/п
I ---I
І 1 I 2 і 3 I « I > І б I 1
I я
I э
і 10
Найменов а-]Тем-ние и объ-Iпе-ем упаков-|раки | ту р;
) при
I >.-
| COD-j КЄ ,
. I .!с
Ф л л г а , 3 8 л|
Флпга,38 л |
Фляга.38 л|
Фляга,3 8 л|
Флта , за п |
Фллга,33 л|
Ф п л г a , З 8 л j
Банка, 3 я|
Банка, з л]
F .intra, 3 я)
-I-
dm- \r,a- | "г _ под;
ли- | ^дг1! мл р- р:
за- |чи"|
Ция | ]
_.__|....|
! I
30 |25 | 0,030
30 |2 5 | 0,070
30 |25 | 0.073
30 |25 | О.076
15 | 25 | О, МО
15 j 2 5 | 0,04 3
15 j 25 | 0,09 7
3 5 j 5 0 I 0,115
3 5 |50 j 0,0Й5
35 (50 І 0,075
С, |мг„нода|-
иг/100гj мл р-ра j t
|С,
! і
j 0 , 0 Г я | 1 3
| 0,091 121
| 0,039 125
I Г] чг\
\ 0,121 117 |15
| 1 '.:
| 0.1
По полученным данным можно сделать следующие выводы: фасовка пасты с температурой 88С и последующая стерилизация ее в течение 30 мин. предпочтительнее консервирования с розливом продукта при 92С и выдержкой 15 мин.;
потемнение томатной пасты по выбранному режиму (88С, 30 мин.) меньше, чем у контрольных образцов, как сразу после стерилизации, так и после двухмесячного хранения.
снижение содержания витамина С характерно в процессе хранения как для опытных, так и контрольных образцов, однако, при консервировании во флягах с ротацией потери витамина больше. Это объясняется наличием во сЬлягах относительно большего количества воздуха (10 от объема), чем в банках (7%), и созданием условий для контакта оставшегося во флягах воздуха со всей массой продукта за счет его перемешивания при вращении.
С целью уменьшения потерь витамина"с были проведены эксперименты по замещению воздуха, имевшегося во флягах после фасовки продукта, паром и азотом. Оба варианта позволили получить продукт, не уступающий по содержанию витамина С томатной пасте в контрольных образцах, поэтому операция по замещению воздуха паром или азотом предусмотрена в разработанной технологии.
Вытеснение воздуха способствовало еще и уменьшению потемнения пасты во флягах по сравнению с контрольными образцами.
В результате проведенных исследований получены необходимые параметры технологических операций и разработана схема процесса консервирования пюреобраэных продуктов (рис.6.). Технология консервирования 13], [6] заключается в нагреве продукта до температуры, при которой его фасуют в заранее промытую и прошпаренную тару, причем заполнение тары осуществляется на 90% от ее вместимости. Из пространства над продуктом удаляют большую часть воздуха путем вытеснения его азотом или ги.ром, после чего тару герметизируют и при постоянном вращении с донышка на крышку осуществляют стерилизацию продукта и его охлаждение.
Клапан
О'
Поступление продукта
Сборник - Насос Подогреватель продукта
-*-*
Датчик температур
Подготовка
тзры
Фасовка
мойїм
шпарка
герметизация
ерпщениа бву охлаждения и с охлаждением" Рис.6. Технологическая схема консервирования пюреобраэных продуктов о таре вместимостью 30 - 100 л с применением вращения.
Разработанная технология и основное оборудование защищены в качестве изобретений охранными документами [22],[23].
Анализ накопленных при исследованиях данных позволяет с большой степенью вероятности утверждать, что использование вращения перспективно для консервирования многих продуктов в таре вместимостью до 2 м . Такой прогноз сделан на основе вычислений фактических коэффициентов теплопередачи, полученных при экспериментах по тепловой обработке с ротацией томатной пасты в банках и"14, флягах и столитровых бочках, и последующей экстраполяции зависимости коэффициентов теплопередачи от вместимости тары на более крупные ее виды.
Параметры стерилизации и охлаждения приведены в таблице 2.
Параметры стерилизации и охлаждения томатной пасты и яблочного пюре.
Таблица 2.
Наименование продукта
Томатная паста
Тип тары и её объем
Фляга,38 л
Температура фасовки
продукта, „'Р.....
Скорость вращения , рад/с
2,5
Длительность враще-щения, мин.
при охлаждении
при стерилизации
Томатная паста
Бочка,100л
2,3
Яблочное
Фляга,38 л
. .5
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИЙ И КАЧЕСТВО ПЮРЕОБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ ПРИ ИХ АСЕПТИЧЕСКОМ КОНСЕРВИРОВАНИИ.
Сущность асептического метода консервирования заключается в раздельной стерилизации продукта и тары и последующем наполнении заранее стерилизованной тары охлажденным стерильным продуктом в условиях, исключающих его инфицирование [11].
Такой метод консервирования позволяет осуществить стерилизацию продуктов в потоке, что дает возможность интенсифицировать процесс обработки. быстро и равномерно
нагревать и охлаждать значительные количества их, применяя кратковременную высокотемпературную стерилизацию, после которой сохраняемость полезных пищевых качеств продуктов выше, чем при обработке их в герметично укупоренной таре И]. Это преимущество высокотемпературной кратковременной тепловой обработки обусловлено тем, что при высоких температурах скорости нежелательных химических реакций (деградация витаминов, разложение красящих веществ и т.д.) в меньшей степени зависят от температуры, чем скорость отмирания микроорганизмов. В результате в асептически консервированных продуктах, например, томатной пасте, яблочном пюре, отмечено лучшее сохранение витамина С и цвета [5],[7],[15].
Применение асептической технологии приводит к тому, что качество консервированного продукта практически не зависит от размеров тары, и это позволяет консервировать его в упаковках вместимостью от долей литра до десятков и даже сотен кубических метров. В'настоящее время в промышленности используются стационарные и передвижные резервуары вместимостью 3: 12; 15; 16,5; 20; 24; 50; 100; 300 м [7],[10],[11],[12],[13].
Реализация асептической технологии консервирования связана с применением ряда операций по созданию и поддержанию асептических условий и использованием оборудования, которое кроме обычных требований по прочности, надежности, безопасности и т.д. должно отвечать специфическим требованиям. К последнем относятся промываемость и стерилизуе-мость, регламентируемые количеством остаточной микрофлоры, герметичность и некоторые другие. Поэтому внедрению данного метода консервирования предшествовали многочисленные исследования различной направленности, позволившие получить необходимые технологические параметры и создать специфические виды оборудования и устройств. Например, изучение методов санитарной обработки позволило найти оптимальные параметры процесса и определить типы моющих устройств, исследования по микробиологической очистке воздуха привели к созданию специальных фильтрующих материалов, разработаны и созданы некоторые виды запорной и предохранительной арматуры и т.д. Таким образом, работы по асептическому кон-
сервированию носили комплексный характер, а с учетом актуальности проблемы выполнялись в соответствии с Общесоюзной научно-технической программой Государственного комитета СССР по науке и' технике и рядом отраслевых программ.
Представляемые нами исследования являются только частью общей комплексной работы,- в которой участвовал автор, однако, эти исследования касаются наиболее важных вопросов асептической технологии - тепловой обработки продуктов и оборудования.
3.1. Влияние тепловой обработки на качество продуктов.
С целью максимального использования достоинств кратковременной высокотемпературной тепловой обработки были проанализированы ее составные части: нагревание продукта, выдержка его с целью стерилизации и охлаждение. В принятой нами технологической схеме нагревание продукта осуществлялось в аппарате инжекцйонного типа [191, где происходило смешивание продукта с подаваемым в аппарат паром. Выдержка при температуре стерилизации обеспечивалась в устройствах [20],[21],Г 24], где время пребывания продукта определялось рабочим объемом устройства и средней скоростью продвижения продукта от входа в выдерживатель и до выхода из него. Охлаждение проводилось в вакуумном охладителе.
Исследованиями, проведенными на экспериментальной установке и промышленном оборудовании. найдено. что время нагрева продукта не превышает 18 с, из которых он находится при темепратуре выше 100С не более 8с, среднее время пребывания продукта в выдерживателе 240 с, охлаждение продукта в вакуум-охладителе осуществляется практических мгновенно. Следовательно, главное воздействие на качество продукта происходит в выдерживателе при высоких температурах стерилизации. На графике (рис.7.) приведена зависимость изменения цвета томатной пасты от времени пребывания продукта в выдерживателе с температурой 132С. Из графика видно заметное ухудшение цвета после выдержки в течение 1,5-2 мин, а наиболее интенсивное потемнение продукта происходит в.интервале 3...5 мин.
, ЦЬет, ,мг иода мл р-ри
1 ' ' м
< 2 3 * 5 б <С,мцн
Рис.7. Зависимость потемнения томатной пасты от времени стерилизации при 132С.
Проведенные во ВНИИКОП исследования показали, что икообиологичоская стабильность томатной пасты может быть о:?спечена при данной температуре за 0,4 минуты. При анализе работы опытно-промышленных образцов выдерживателей установлено, что время пребывания в них частиц продукта неодинаково, что является следствием различия скоростей з сечении аппаратов. причем скорость на их оси превышает среднюю скорость в 1,4-1,7 раза. Следовательно, значительная часть продукта подвергается более длительной температурной обработке, чем это необходимо для обеспечения мик-собмчльной стабильности, и качество продукта в целом "ухуд-иается.
В целях обеспечения более полного сохранения пищевой ценности продуктов нами предложено использовать выдержива-тели с перемешивающими устройствами, причем перемешивание осуществлять э плоскостях, перпендикулярных направлению движения продуктов через выдерживатель. Такие аппараты обеспечивают равную длительность теплопой обработки для
всех частиц продуктов, а следовательно, и более высокое качество их. т.к. время стерилизации может быть сокращено.
Приведенный выше вывод о практически мгновенном охлаждении продукта в вакуум-охладителе был сделан по результатам исследований, проведенных с помощью экспериментальной установки. Смонтированные в установке на пути факела распыла термопары зафиксировали охлаждение нагретой выше 100С томатной пасты на расстоянии 150 мм от точки ввода в вакуумную камеру.
С целью определения геометрических размеров вакуумных, охладителей по скоростям витания частиц [17] на экспериментальной установке изучался дисперсный состав продукта, охлаждаемого в вакуумной камере.
По Ф.М.Тарасову скорости витания определяются из выражений :
- о случае ламинарного течения
vrf.
itju
(і)
в случае турбулентного течения
W,
Л у Л 7
СІк(їк-Рп)
(2)
Vff,,_,ny скорость витания частицы, м/с;
Ык - диаметр частицы, м:
JU - динамическая вязкость, кг.с/м :
рн - плотность частицы, кг/м :
J3n - плотность пара, кг/м' .
Схема экспериментальной установки приведена на рис.0. Установка состоит из герметичной капсулы, в которой расположены паровой барботер 2 и термопара 3, концы которой присоединены к измерительному прибору 4. Давление в капсуле контролировалось манометром 5. Нагретый продукт через вентиль Є и патрубок 7 поступал в вакуумную камеру а с вакуумметром 9. Длч отбора частиц продукта в нижней части камеры устанавливали чашку Петри 10 с предметными стек-
лами, покрытыми слоем масла К-19. Время осаждения частиц на предметные стекла задавалось поворотом заслонки-накопителя 11 с помощью рукоятки 12.
Для экспериментов использовали томатную пасту с содержанием сухих веществ 30«. Осаждение частиц проводили в течение 0,5...1 с. Нагрев продукта осуществляли до температур 90, 100, 115, 120 и 135С. Дисперсный анализ частиц по размерным группам проводили на микроскопе МБИ-4 с увеличением 80*.
Используя данные дисперсного анализа (счетное распределение частиц томатной пасты, охлажденной в вакууме после нагревания), а также определив массу всех осевших на предметные стекла частиц путем взвешивания стекол до и после осаждения нами расчитана функция распределения частиц по массе [15]. Для продукта, нагретого до 100С, функция распределения представлена на рис.9, в виде прямой в логариф-
% 99
S« 37
70 SO SO кй 20
40 20 30 h0 50 60 SO 100 200 300 500 iOQQ 2000 «.
Рис. 9. Распределение частіш томатной пасты после вакуумного мкм
охлаждения.
мической вероятностной сетке. Это позволяет получить значения диаметров частиц, которые следует подставлять в формулы (1) или (2) для определения скорости в-итания, а затем размеров вакуумной камеры и ловушек для осаждения наиболее мелких частиц, т.е. исключить унос продукта вторичным паром
Таким образом, в результате работы определены зависимости и параметры, использование которых позволяет создавать эффективное оборудование для стерилизации и охлаждения продуктов при условии максимального сохранения их качества.
3.2. Зависимость параметров стерилизации резервуаров от их конструктивных особенностей.
До наполнения резервуаров стерилизованным продуктом их подвергают санитарной обработке и стерилизации.
Подавляющее число типов резервуаров стерилизуют термическим методом, который заключается в подаче в них насыщенного пара для обеспечения в течении длительного времени внутри резервуаров температуры выше 100С. Длительность теплового воздействия и температура стерилизации связаны между собой и могут варьироваться. По экономическим соображениям толщину металла для изготовления резервуаров еы-биоают как можно меньшей, поэтому механичеркая прочность их позволяет -эксплуатировать резервуары при рабочем давлении не более 0,07 МПа. На практике резервуары стерилизуют при избыточном давлении 0.05-0,06 МПа, т.е. при температурах 111-113С, для которых и рассчитывают длительность теплового воздействия. Необходимо только, чтобы эти температуры были достигнуты во всех точках резсрэуара через одинаковое время, а если в каких-то зонах возможно запаздывание, то на рремя запаздывания следует внести поправку в режим стерилизации.
С целью определения условий, при которых возможно проведение качественной стерилизации резервуаров, нами проведены эксперименты в лабораторных и производстзеннмх условиях по определению температурных полей в резервуарах и расположенных на них элементах, представляющих собой глухие (не проточные) патрубки [16], [18].
Исследования показали, что в вертикально установленных резервуарах после предварительной продувки их паром температуры в различных точках (кроме патрубков) отличались друг от друга на 2-3С, что вполне допустимо. В горизонтальных резервуарах условия стерилизации различных зон. существенно зависят от расположения этих сосудов в пространстве .
На рис.10, представлена схема горизонтального резервуара с термопарами, расположенными на его внутренних поверхностях, и приведены кривые изменения температур в исследуемых точках в процессе стерилизации при различном уклоне резервуара: в сторону сливного отверстия, из которого в процессе стерилизации удаляется конденсат, или в обратную сторону. Одна из термопар была введена в трубку Бурдо-на мановакуумметра, установленного на резервуаре.
'mj графиков на рис. 10. . видно, что в нижней части резервуара с уклоном в сторону, противоположную вентилю для слива конденсата, температура стерилизации не достигает заданного значения. Так же не прогревается воздушная полость трубки Бурдона в мановакуумметре, что может в дальнейшем отрицательно сказаться на микробиальной стабильности сохраняемых продуктов.
На основании данных исследований в технологическую инструкцию по асептическому консервированию.были внесены требования об установке горизонтальных резервуаров с уклоном в сторону сливного отверстия, периодическому контролю уклона, а также об отделении с помощью мембранных разделителей полости мановакуумметров от внутреннего пространства резервуаров.
Устанавливаемые на резервуарах линий асептического консервирования патрубки имеют различное функциональное назначение: корпуса фильтров для обеспложивания воздуха, опорные элементы герметичных предохранительных устройств, гильзы датчиков уровня и т.п. І9І. І13І, [141, [25]. Сте-рилизуемость некоторых их них достигается путем организации протока стерилизующей среды (пара или конденсата) через полость патрубка. Но некоторые патрубки являются непроточными, при стерилизации температура в них отстает от температуры в резервуаре, а иногда и вовсе не может дос-
no
-fOO --
so -/
t-;-'
,V
20 sO 50 sO !00 НО 'l"x мин
Рис.)0 . Изменение та-.ггратур rip:і CTc,-.:;:>i2iv.:i :.:.з..= ;;їу,'.р.і і -;: : тзркопгр (т).
""—1,2,3,4- (песіедляя ДЛЯ резер;;;-..;;і с ;-,с;';;'С^ л і.гину с.-;-л\; Q-4 для рітзерау.ір-г с ейрати^м >^.-онг„і ; й-5 в. наноиакуумкатр.2 .
тигнуть заданного значения. Нами изучалось запаздывание по времени температуры на внутренней поверхности заглушки патрубка (рис..11.; точка А) по отношению к температуре в центре отверстия (точка Б), через которое патрубок сообщается с резервуаром. Исследования проводились на вертикально установленных патрубках, прогреваемость которых наихудшая. Контроль температуры осуществляли термопарами.
И/ЫВ
Рис.11. Зависимость времени нагоева патрубка от соотношения высоты и диаметра.
Полученные значения приведены в таблице 3.
Графическая зависимость времени нагрева "С патрубка от соотношения H/dB приведена на рис.11. Обработка получениых данных методом наименьших квадратов позволила описать ее Формулой
Г = з,гін/с(в
(3)
Формула (3) справедлива для dB > 0,04 м.
Таблица 3.
Характеристика патрубков и время их прогрева.
С целью получения зависимости, позволяющей оценить время прогрева патрубков диаметром меньше 0,04 м, аналитическим путем получена формула (4). При выводе формулы приняты следующие допущения:
потери тепяа в единицу времени через стенки патрубка одинаковы в течение всего процесса нагревания и равны максимальным потерям, т.е. когда процесс нагревания пат-ру.бка завершен и между температурами его и окруждающей среды максимальный перепад;
температура на среднем диаметре цилиндрической части патрубка (средний диаметр - полусумма внутреннего и внешнего диаметров) равна средне-арифметическому температур стерилизации и окружающей среды;
средняя скорость поступления пара из резервуара в полость патрубка не зависит от его геометрических размеров.
Правомерность принятых допущений обусловлена тем, что они не могут привести к занижению определяемого времени
нагрева, либо дают приемлемую для технических расчетов ошибку, которая может быть учтена. Напоимер, рассчитанная по экспериментально полученным данным скорость поступления пара в патрубок составила величину 0,0105 м/с при максимальном отклонении от средней скорости 8.
С учетом вышеприведенных доп'ущений получено уравнение:
3=Г {60-W-j>n rS-0,06-C^) г (4)
где: Q, - теплота на нагрев патрубка, кДж; ?Г - время нагревания, мин:
W - скорость поступления пара в патрубок, м/с; Sn ~ плотность пара, кг/м :
f - удельная теплота парообразования, кДж/кг; S - площадь сечения патрубка, м~; О, - потери тепла за единицу времени через поверхность патрубка, Дж/с.
По полученной формуле можно не только определить время нагрева патрубка, но и определив знак стоящего в скобках выражения сделать вывод о принципиальной возможности Или невозможности прогрева патрубка до требуемой температуры (если выражение в скобках отрицательное, то патрубок прогреть нельзя).
По формуле (4) можно с достаточной точностью определить время прогрева патрубков любого диаметра, причем не только тех, что имеются на резервуарах, но и устанавливаемых на другом термически стерилизуемом оборудовании: установках стерилизации, асептических наполнителях и т.п.
Таким образом, появилась возможность определять длительность процесса стерилизации резервуаров с учетом времени запаздывания температуры в нагреваемых патрубках.
На основании выполненных исследдований: - разработан технологический .процесс консервирования пюреобразных продуктов в таре вместимостью 30-100 л; дока-
эано, что применение вращения тары с продуктом интенсифицирует процесс консервирования, обеспечивает в значительной степени сохранение пищевой ценности продуктов.
в результате создания экспериментального образца устройства для консервирования продуктов в таре с применением вращения и его опытной эксплуатации на Волгоградском консервном заводе установлено, что метод консервирования относительно легко реализуем, не требует применения автоклавов, создания уникальных узлов оборудования и сложных систем автоматики, т.е. может широко использоваться предприятиями даже с невысокой технической оснащенностью; окупаемость оборудования Для консервирования продуктов даннЬ'М методом не превышает 0,5 года.
с учетом данных по кинетике перемешивания при сращении тары получены предпосылки, позволяющие считать перспективным использование ротационного метода для консервирования некоторых продуктов в таре вместимостью до 2 м .
- получены данные, позволившие внести в технологическую инструкцию по асептическому консервированию требования, пополнение которых обеспечивает качественную стерияи-"juh'o резервуаров для хранения и транспортирования стйпи--.-30" анчы' продуктов.
выявлены факторы, определяющие влияние процессов н всевания, стерилизации (выдержки) и охлаждения на качество продуктов, консервируемых асептическим методом; установлена возможность уменьшения в-1,4-1,7 раза длительности тепловой обработки .продуктов за счет обеспечения их равномерной обработки в выдерживателях .
получены данные о дисперсном составе парообразных продуктов после вакуумного охлаждения их, что позволило рассчитать геометрические размеры выкуумных охладителей, используемых в линиях асептического консервирования.
Результаті:» оабогы использованы при разработке нормативно-технической документации, реализованы в предназначенных к серийному производству линиях и отдельных вида/ оборудования.
