Введение к работе
1 *
1.1 Актуальность работы. Важнейшей проблемой консервной промышленности Российской Федерации является повышение качества, безопасности и конкурентоспособности выпускаемых консервированных продуктов. В настоящее время на российском рынке доля импортной консервированной плодоовощной продукции не всегда высокого качества составляет более 30%. Поэтому в условиях вступления России во Всемирную торговую организацию в консервной отрасли решается задача импортозамещения за счет выработки доброкачественной, безопасной и конкурентоспособной отечественной консервной продукции. В настоящее время эта проблема пока еще не решена ввиду того, что на консервных предприятиях зачастую используются малоэффективные технологии, устаревшее, металлоёмкое, и энергоемкое технологическое оборудование.
Основной процесс в производстве консервированных продуктов – стерилизация – проводится на старых громоздких и дорогостоящих аппаратах, не позволяющих выпускать качественную и конкурентоспособную консервированную продукцию с максимальным сохранением природных качеств используемого растительного сырья.
Большой вклад в развитие теоретических и прикладных основ консервирования пищевых продуктов с использованием тепловой стерилизации внесли известные отечественные и зарубежные ученые: Аминов М.С., Ахмедов М.Э, Бабарин В.П., Верхивкер Я.В., Гореньков Э.С., Касьянов Г.И.,Рогачев В.И., Рогов И.А., Флауменбаум Б.Л., Скорикова Ю.Г, Болл Ч и другие, однако возникшие проблемы пока еще не решены: выпускаемая в России по традиционным технологиям консервированная продукция не всегда соответствует требованиям мирового рынка, что сдерживает развитие отечественной консервной промышленности. Не является исключением и консервная промышленность Республики Дагестан, объем производства, которой по сравнению с 1990 годом сократился более чем в 10 раз и в настоящее время составляет около 35 муб в год, что не удовлетворяет потребности населения республики.
*Автор выражает благодарность за консультационную помощь доктору технических наук Ахмедову Магомеду Эминовичу
В связи с этим научно-техническое обоснование, разработка и применение инновационных ресурсосберегающих технологий производства консервированных продуктов с использованием ступенчатой тепловой стерилизации является актуальной.
1.2 Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в соответствии: с целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013гг.» по направлению «Экологически безопасные ресурсосберегающие технологии производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания» (Госконтракт № П 1577 от.10.09.2009г); госбюджетной темой финансируемой Минобрнауки Российской Федерации №1159 на 2009-2012 гг. «Исследование процессов теплообмена и создание математических моделей при высокотемпературной обработке пищевых объектов»; республиканской целевой программой «Развитие пищевой и перерабатывающей промышленности в Республике Дагестан на 2011-2020 годы»; планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» по проблеме «Совершенствование технологических процессов в перерабатывающей промышленности» на 2009-2014гг.
1.3 Цель и задачи исследований. Цель исследований – научно-техническое обоснование и разработка инновационных ресурсосберегающих технологий консервированных продуктов, обладающих высоким качеством, безопасностью и конкурентоспособностью на основе использования тепловых и физических воздействий на растительное сырье и ступенчатой тепловой стерилизации, а также разработка конструкций аппаратов для их осуществления.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
– обосновать и разработать способ производства консервированных продуктов с использованием новых режимов ротационной тепловой стерилизации в аппаратах периодического действия с установлением оптимальных частот вращения стеклянных банок и математических моделей для определения технологических параметров;
– обосновать и разработать способы производства консервированных продуктов с использованием ступенчатой тепловой стерилизации консервов и
рекуперации тепла в статическом состоянии и при вращении банок, с созданием математических моделей для определения технологических параметров;
– разработать способы производства консервированных продуктов с использованием ступенчатой тепловой обработки с воздушным и воздушно-водоиспарительным охлаждением при вращении банок;
– разработать эффективный способ стерилизации низкокислотных консервированных продуктов с использованием ступенчатой тепловой стерилизации в горячей воде и потоке нагретого воздуха с высокой температурой в статическом состоянии и при вращении банок;
– разработать технологии производства консервированных продуктов с использованием предварительного нагрева плодов и овощей в банках горячей водой, ЭМП СВЧ и насыщенным водяным паром с последующей ступенчатой стерилизацией;
– теоретически обосновать и разработать технологию производства консервированных продуктов с использованием ЭМП СВЧ перед ступенчатой стерилизацией взамен процесса бланширования;
– разработать конструкции аппарата для предварительного нагрева плодов и овощей в банках с использованием ЭМП СВЧ, горячей воды и насыщенного водяного пара;
– разработать конструкции устройств и аппаратов для ступенчатой тепловой стерилизации консервов с использованием принципа рекуперации тепла выделяемого при охлаждении консервов;
– разработать конструкцию устройства и аппарата для тепловой стерилизации консервов с использованием ступенчатого ротационного нагрева с последующим ступенчатым водяным и воздушно-водоиспарительным охлаждением;
– провести микробиологические исследования консервированных продуктов, изготовленных по разработанным технологиям;
– исследовать химический состав консервированных продуктов, полученных с использованием разработанных технологий;
– разработать техническую документацию на новые способы консервирования плодоовощной продукции с использованием насыщенного водяного пара, ЭМП СВЧ и ступенчатой стерилизации;
– осуществить промышленную апробацию инновационных технологий производства консервированных продуктов;
–экономически обосновать разработку инновационных технологий производства консервированных продуктов, рассчитать ожидаемый и фактический экономический эффект от внедрения разработанных технологий консервирования плодоовощной продукции.
4 Научная концепция диссертационной работы заключается в решении проблемы повышения качества и конкурентоспособности, вырабатываемых плодоовощных, консервированных продуктов на основе научно-технического обоснования, разработки и применения инновационных ресурсосберегающих технологических приемов, основанных на повышении эффективности технологического процесса консервирования за счет использования предварительного нагрева плодов и овощей ЭМП СВЧ, горячей водой, насыщенным водяным паром и ступенчатой тепловой стерилизации консервов.
1.5 Научная новизна. Теоретически обоснованы инновационные ресурсосберегающие технологии производства высококачественных и конкурентоспособных плодоовощных консервированных продуктов, основанных на эффективном использовании инновационных технологических приемов с применением на отдельных стадиях производства электрофизических и тепловых воздействий на плодоовощное сырье и ступенчатой тепловой стерилизации. При этом впервые:
– научно обоснован способ производства плодоовощных консервированных продуктов в аппаратах периодического действия с вращением банок;
– научно обоснованы способы тепловой стерилизации для различных растительных консервов с применением ступенчатого нагрева и охлаждения в статическом состоянии и при вращении банок;
– научно обоснован и разработан способ производства консервиро-ванных плодоовощных продуктов с использованием принципа рекуперации тепла, выделяемого при охлаждении консервов;
– научно обоснованы и разработаны способы производства консервированных продуктов с использованием ступенчатого нагрева с воздушным и воздушно-водоиспарительным охлаждением при вращении банок;
– научно обоснован способ стерилизации низкокислотных консервированных продуктов с использованием ступенчатой тепловой стерилизации в горячей воде и потоке нагретого воздуха в статическом состоянии и при вращении банок;
– научно обоснована энергосберегающая инновационная технология производства консервированных продуктов с использованием ступенчатой стерилизации с предварительным нагревом плодов (овощей) в банках горячей водой;
– научно обоснована энергосберегающая инновационная технология производства консервированных продуктов с использованием предварительного нагрева плодов (овощей) циклическим вдуванием насыщенного водяного пара в банки и ступенчатой тепловой стерилизации;
– научно обоснована ресурсосберегающая инновационная технология производства консервов с использованием предварительного нагрева плодов (овощей) ЭМП СВЧ и ступенчатой тепловой стерилизации;
– научно обоснована инновационная технология производства консерви-рованных продуктов с использованием ЭМП СВЧ перед ступенчатой стерилизацией взамен процесса бланширования;
Разработаны математические модели:
– скорости прогрева, конечной температуры продукта и оптимальной частоты вращения при ротационной тепловой стерилизации в аппаратах периодического действия;
– продолжительности и температуры нагревания консервированных продуктов при ступенчатой тепловой стерилизации в статическом состоянии и при вращении стеклянных банок
– продолжительности ротационного охлаждения компотов в потоке атмосферного воздуха;
– расчета температуры продукта перед стерилизацией в зависимости от параметров обработки плодов и овощей в банках в ЭМП СВЧ.
Новизна технологических и технических решений подтверждена 120 патентами РФ на изобретения.
1.6 Практическая значимость работы и реализация результатов исследований. В результате реализации научной концепции, цели и задач, теоретических и экспериментальных исследований разработаны и внедрены в производство:
– способы производства, конструкции устройств и аппаратов для ступенчатой тепловой стерилизации консервов, обеспечивающие сокращение продолжительности тепловой стерилизации более, чем на 50%, экономию тепловой энергии, воды и повышение качества готовой продукции;
– ресурсосберегающие технологии тепловой стерилизации консервов и конструкции устройств и аппаратов для ступенчатой тепловой стерилизации с использованием принципа рекуперации тепла выделяемого при охлаждении консервов с коэффициентом рекуперации до 0,8 (патент № 2462098);
– энергосберегающие технологии производства консервированных продуктов с использованием предварительного нагрева плодов и овощей в банках горячей водой, насыщенным водяным паром и ЭМП СВЧ;
– инновационная ресурсосберегающая технология производства консервированных плодоовощных продуктов с использованием ЭМП СВЧ перед ступенчатой тепловой стерилизацией взамен процесса бланширования;
– новые конструкции аппаратов для предварительного нагрева плодов и овощей в банках с использованием насыщенного водяного пара, горячей воды и ЭМП СВЧ перед ступенчатой тепловой стерилизацией;
Разработаны, апробированы и утверждены соответствующим образом комплекты технической документации на производство консервов с использованием новых способов консервирования: ТУ 916311-003-2069504-2013 «Компот из черешни», ТУ 916311-002-2069504-2013 «Компот из айвы», ТУ 916311-001-2069504-2013 «Компот из яблок», ТУ 916311-004-2069505-2013 «Томаты маринованные», ТУ 916311-005-2069505-2013 «Огурцы маринованные».
Разработаны новые режимы стерилизации консервов:
– со ступенчатой тепловой обработкой без противодавления в статическом состоянии и при вращении банок (патенты №№ 2450542, 2450562, 2448567,2448538, 2449621,2449604, 2449603 и 2448551);
– со ступенчатым нагревом в горячей воде с различной температурой с последующим охлаждением путем орошения водой переменной температуры (патент №2448562);
– со ступенчатым нагревом в воде с различной температурой и последующим воздушно-водоиспарительным охлаждением при вращении банок (патенты №№ 2450542, 2450562, 2448567,2448538, 2449621,2449604, 2449603 и 2448551);
– со ступенчатой стерилизацией в горячей воде с предварительным душеванием и последующим охлаждением в потоке атмосферного воздуха с вращением банок (патент № 2445806);
– со ступенчатой тепловой стерилизацией в горячей воде и потоке нагретого воздуха (патенты №№2461312, 2461313 и 2461314).
Разработаны технологии и аппаратурное оформление поточно-механизированных линий для производства овощных маринадов и компотов с использованием предварительного нагрева плодов и овощей в банках горячей водой и ступенчатой тепловой обработки.
Разработаны новые конструкции аппаратов для тепловой стерилизации плодоовощных консервов с использованием ступенчатой тепловой стерилизации (патенты №№ 2463912, 2462911 и 2462962).
В производственных условиях Тагиркентского, Хасавюртовского и Кикунинского консервных заводов Республики Дагестан апробированы новые способы, режимы тепловой стерилизации консервированных продуктов и устройства для их осуществления.
1.7 Личный вклад соискателя. Диссертационная работа является результатом многолетних теоретических и экспериментальных исследований соискателя в области производства плодоовощных, консервированных продуктов на предприятиях Республики Дагестан.
Личный вклад соискателя заключается в теоретическом обосновании темы, постановке задач и проведении экспериментальных исследований, производственной апробации и внедрении полученных результатов в производство, математической и статистической обработке полученных экспериментальных данных.
Автором на основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований разработаны инновационные технологии производства консервированных компотов, соков и овощных маринадов с использованием ступенчатой тепловой стерилизации и принципа рекуперации тепла.
Разработана инновационная ресурсосберегающая технология производства конкурентоспособных консервированных плодоовощных продуктов с использованием ЭМП СВЧ перед ступенчатой тепловой стерилизацией взамен процесса бланширования.
Разработаны технологии производства компотов и овощных маринадов с использованием предварительного нагрева плодов и овощей в банках горя-
чей водой, насыщенным водяным паром и ЭМП СВЧ.
Для практической реализации инновационных способов и технологий производства плодоовощных консервов, автором разработаны новые конструкции аппаратов, проведена их промышленная апробация и внедрение в производство на ряде консервных предприятий Республики Дагестан.
1.8 Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены в период с 1998 по 2013 гг. на 29 научно-практических конференциях различного уровня, в т.ч. 5 всероссийских (г. Махачкала, 2008г., г. Ставрополь, 2009г., г. Махачкала, 2010г., г. Махачкала, 2012г., г. Махачкала, 2013г.) и на 8 конференциях с международным участием (г. Воронеж, 2004г., г. Махачкала, 2010г., г. Казань, 2010г., г. С.-Петербург, 2011г., г. Курск, 2011г., 2012г., г. Барнаул, 2011г., г. Махачкала, 2013г.) и ежегодных научно-технических конференциях преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ в 1998-2013гг. В полном объеме работа доложена, обсуждена и одобрена на расширенном заседании кафедры ТП и ООП ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет».
Результаты выполненных научных разработок отмечены дипломами лауреатов на ХIV, ХV и ХVI Московском международном Салоне изобретений и инновационных технологий «АРХИМЕД-2011», «АРХИМЕД-2012» и «АРХИМЕД-2013», на 1-ой Международной Выставке научно-технических и инновационных разработок «Барнаул–2011» и на межрегиональных выставках-ярмарках «Дагпродэкспо-2009, Дагпродэкспо-2010», где они отмечены золотой и серебряной медалями.
По результатам патентно-изобретательской деятельности соискатель удостоена золотой медали и диплома «Лучший изобретатель ДГТУ».
1.9 Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 200 научных работ, 40 из которых опубликованы в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 4 монографии, получено 120 патентов РФ на изобретения.
1.10 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы, состоящего из 452 источников, в т.ч. 46 – иностранных авторов и приложения. Работа изложена на 412 страницах машинописного текста, включает 170 рисунков и 38 таблиц.
