Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор научно-технической литературы .14
1.1 Консервирование плодов и овощей с использованием тепловой стерилизации 14
1.1.Интенсификация процесса тепловой стерилизации консервов в банках 21
1.2.1Высокотемпературная стерилизация .22
1.2.2 Использование перемешивания продукта путем вращения и вибрации теплообменной поверхности 23
1.3 Тепловая обработка пищевых продуктов в герметически укупоренной таре 26
1.4 Метод теплой обработки в потоке .26
1.5 Асептический метод консервирования .28
1.6 Стерилизация токами высокой частоты 30
1.7Стерилизация ионизирующим излучением 32
1.8 Выводы из обзора научно-технической литературы 36
2. Разработка конструкций экспериментальных установк и методики проведения исследований 37
2.1Конструкции установок для проведения исследований .37
2.1.1 Конструкция экспериментальной установка для исследования высокотемпературной ротационно - прерывистой тепловой стерилизации в потоке воздуха 37
2.1.2 Конструкция экспериментальной установка для изучения тепловой обработки в жидких высокотемпературных теплоносителях 39
2.2 Методики проведения экспериментов 40
2.2.1 Определение температуры продукта в исследуемой банке 40
2.2.2 Установление новых режимов интенсивной тепловой стерилизации консервов 41
2.2.3 Оценка качества продукции, изготовленной со стерилизацией по интенсивным режимам стерилизации 42
2.2.4 Оценка микробиологической составляющей исследований .43
2.2.5 Обработка результатов исследований 4
3 Экспериментальная часть 45
3.1 Исследование прогреваемости плодоовощных консервов по режимам традиционной технологии в автоклавах 45
3.2 Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение целесообразности использования интенсивной тепловой стерилизации плодоовощных консервов с использованием нагретого воздуха высокой температуры 50
3.2.1 Научное обоснование эффективности использования одно и двухступенчатого СВЧ нагрева консервируемых продуктов в банках для интенсификации технологий производства с применением интенсивных режимов тепловой стерилизации 53
3.2.2. Обоснование целесообразности вращения банок при тепловой обработке плодоовощных консервов нагретым воздухом высокой температуры 56
3.2.3. Новый метод установления необходимой скорости вращения банок 60
3.2.4.Ротационно-прерывистое вращение банок 68
3.3. Исследование прогреваемости компотов в потоке нагретого воздуха высокой температуры 73
3.4 Исследование прогреваемости томатов и огурцов маринованных в потоке нагретого воздуха с ротационно - прерывистым вращением банок 85
3.5. Исследование процесса охлаждения плодоовощных консервов после тепловой обработки в аппаратах непрерывного действия 87
3.5.1 Ротационно-прерывистое охлаждения плодоовощных консервов в .
потоке атмосферного воздуха 88
3.5.2 Новый способ двухэтапного воздушно-водоиспарительного ротационно-прерывистого охлаждения плодоовощных консервов в стеклянной таре 92
3.5.3 Обоснование и разработка эффективного способа охлаждения плодоовощных консервов после интенсивной тепловой стерилизации и оценка эффективности новых режимов стерилизации .96
3.6 Разработка технологий производства плодоовощных консервов с использованием интенсивной тепловой стерилизации с предварительным одно и двухступенчатым нагревом продуктов в ЭМП СВЧ .99
3.6.1. Обоснование выражения для формулы стерилизации плодоовощных консервов при интенсивной тепловой стерилизации .99
3.6.2.Инновационные высокотемпературные режимы и технологии плодоовощных консервов ротационно – прерывистой стерилизацией в потоке нагретого воздуха 101
3.6.3Инновационные режимы и технологии производства плодоовощных консервов со стерилизацией в жидких высокотемпературных теплоносителях 122
3.7Совершенствование технологий производства плодоовощных консервов с использованием вторичных ресурсов .142
3.7.1Технология производства консервированных компотов из семечковых плодов с использованием вторичных ресурсов 142
3.7.2 Инновационные технологии плодоовощных консервов с вторичным использованием тепловой энергии 145
3.8 Обоснование выбора температурных параметров интенсивных режимов тепловой стерилизации плодоовощных консервов .147
4. Разработканортативнойдокументациии конструкцийаппаратовдляпрактическойреализации новыхтехническихитехнологическихрешений 153
4.1. Промышленная апробация разработанных технологий производства плодоовощных консервов .153
4.2. Расчет экономической эффективности технологий плодоовощных консервов с использованием интенсивной тепловой стерилизации 153
4.3. Аппарат для нагрева плодоовощных консервов в ЭМП СВЧ 157
4.4. Аппарат для интенсивной стерилизации нагретым воздухом и двухступенчатым охлаждением
4.5 Аппарат для интенсивной тепловой стерилизации плодоовощных консервов в жидких высокотемпературных теплоносителях 160
4.6 Аппарат для интенсивной тепловой стерилизации плодоовощных консервов в жидких высокотемпературных теплоносителях с использованием вторичных тепловых ресурсов .162 Выводы 165
Список использованных источников
- Использование перемешивания продукта путем вращения и вибрации теплообменной поверхности
- Конструкция экспериментальной установка для исследования высокотемпературной ротационно - прерывистой тепловой стерилизации в потоке воздуха
- Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение целесообразности использования интенсивной тепловой стерилизации плодоовощных консервов с использованием нагретого воздуха высокой температуры
- Расчет экономической эффективности технологий плодоовощных консервов с использованием интенсивной тепловой стерилизации
Использование перемешивания продукта путем вращения и вибрации теплообменной поверхности
В качестве ТЭ для малокислотных консервов принимают 121,1, а для кислотных - обычно 800С. Сопоставляя FД с FН, можно сделать заключение о надежности данного режима стерилизации. Режим является надежным и научно-обоснованным, если FM-FH (1.4) В настоящее время с помощью математического метода расчетов проведена расшифровка, изучение надежности и корректировка режимов стерилизации. Массовая проверка действующих режимов стерилизации с позиции профилактики ботулизма является важной проблемой, так как позволяет предупредить пищевые отравления консервированными продуктами питания.
Проверенный и апробированный десятком научных учреждений математический метод установления режимов пастеризации, является основным методом, позволяющим давать оценку и разработку новых режимов стерилизации консервов. Поэтому предусмотренную "Основами единой методики" и "Положением о разработке режимов стерилизации консервов" экспериментальную проверку режимов, найденных с помощью математических расчетов, можно упростить.
Другой проблемой в области стерилизации пищевых продуктов является интенсификация процесса. Длительность процесса стерилизации, в зависимости от теплофизических свойств пищевых продуктов и размеров тары, колеблется, примерно, от 30 до 160 минут. В соответствии с этим, производительность двухсетчатых автоклавов колеблется в довольно больших пределах - от 2,5 кг/мин до 11,5 кг/мин. И поскольку речь идет об интенсификации теплового процесса, то уяснить все определяющие факторы можно только с позиций регулярного теплового режима, выражаемого формулой [158] Тк-Тн TnP=Jnlg — (1.5) ТА-ТК Анализ этого выражения показывает, что для сокращения времени проникновения тепла вглубь продукта пр нужно снижать постоянную термической инерции fп, повышать начальную температуру продукта ТН, температуру стерилизации ТА и не слишком завышать конечную температуру продукта ТК.
Эта формула может быть использована и для расчета формул стерилизации. Для этого нужно располагать сведениями о значениях констант термической инерции пищевых продуктов в различных видах тары.
Поскольку эта величина синтезирует в себе все основные теплофизические показатели, такие как теплоемкость, коэффициенты тепло- и температуропроводности и др., мы считаем, что никаких сведений, кроме экспериментально найденных значений fп, для расчетов стерилизационных процессов не нужно.
При рассмотрении уравнения термической инерции становится ясным, что определяющим фактором является именно константа fп, ибо вторая составляющая -логарифм безразмерной температуры - колеблется не в столь широких пределах. Поэтому основной путь интенсификации процесса - это снижение значения константы fп. Практически этого можно достигнуть путем ротации тары в процессе стерилизации [112].
Как показали исследования, эффект ротации особенно резко выражен в отношении густых продуктов, расфасованных в крупную консервную тару. Например, время собственно стерилизации морковного сока в бутылях СКО 83-3 в результате ротации снижается с 200 до 35 мин при 1200С. Это связано с тем, что ротация резко снижает постоянную термической инерции. Такой же эффект от ротации наблюдается в процессе охлаждения густых пищевых продуктов в крупной таре. Так, например, время охлаждения томатной пасты в жестяной банке 15 при орошении ее холодной водой снижается благодаря вращению от нескольких часов до 30 мин.
Следует направить усилия конструкторов и машиностроительных заводов на разработку и внедрение в производство отечественных ротационных стерилизаторов.
Наконец, важной проблемой является изыскание условий непрерывной пастеризации и стерилизации консервов. На ряде заводов установлены непрерывно действующие аппараты для пастеризации фруктовых соков.
Создание высокопроизводительных, не слишком сложных по устройству и безопасных в обслуживании непрерывно действующих стерилизаторов требует для своего решения дальнейших научных и конструкторских разработок.
Необходимо отметить, что в докладах, сделанных на международных симпозиумах и всесоюзных конференциях, и научных работах [2,5,14,19,20,21,24,40,45,127] по вопросам консервирования пищевых продуктов, из всех известных способов консервирования решающая роль была отведена консервированию теплом. Поэтому кратко рассмотрим основные способы и средства тепловой стерилизации, а также факторы, определяющие данный процесс и возможные пути интенсификации его.
Основными методами совершенствования процесса тепловой стерилизации консервов являются применение высокой температуры греющей среды и прерывистая ротация банок [7,19,23,28,29,30,31,33,34,36,37,39,41,48,52,58, 59,60,61, 63,66,87,88,89,90, 91,92,93,94,95,96,97,98,99,100,112].
Конструкция экспериментальной установка для исследования высокотемпературной ротационно - прерывистой тепловой стерилизации в потоке воздуха
Измерение температуры в различных точках банки, осуществляется установленными в исследуемой банке хромель-копелевыми термопарами, подключенными к автоматическому потенциометру КСП-4.
Термопары помещенные внутри кварцевой трубки, вставляются в банку через отверстие, просверленное в дне стеклотары, при этом полость трубки и отверстие в дне банки также залиты эпоксидной смолой. Термопары в кварцевой трубке расположены в наиболее и наименее прогреваемых точках банки.
Термопары через токосъемник выводятся и соединяются с потенциометром.
Для установления интенсивных режимов стерилизации консервов были разработаны и изготовлены лабораторные установки, схемы которых представленных на рисунках 2.1 и 2,2.
Изготовленные установки обеспечивают возможность моделирования условий теплообмена изучаемых процессов.
При этом, при установлении новых режимов стерилизации за базовое значение принимали требуемые нормативными инструкциями значения летальности микроорганизмов для изучаемых продуктов. И значения фактических летальностей микроорганизмов устанавливаемых режимов стерилизации во всех случаях сопоставлялась с требуемыми величинами нормативных данных, и при этом предусматривали возможность того, чтобы получаемое значение удовлетворяло следующему условию: Аф Ао, (2.1) где Аф - расчетная летальность микроорганизмов, усл. мин.; Ао - значение нормативной летальности, усл. мин.
Расчетную летальность микроорганизмов исследуемых режимов, определяли на основе определения изменения температуры продукта через определенные промежутки времени и как сумма результатов летальных значений отдельных отрезков времени на основе метода приближенного интегрирования: в Аф = \ка -dr «т(ка1 +ка2 +... + кап), (2.2) а где - время; ка - переводные коэффициенты. Переводные коэффициенты рассчитываются по формуле: Ка = 7F 7F . (2.3) У -1 10— Z Расчет фактической летальности микроорганизмов кислотных консервов, к которым относится исследуемый ассортимент, в качестве эталонной величины температуры (Тэ) принимается 800С, а величина константы термоустойчивости (Z) принимают равной 150С.
Режимы интенсивной тепловой стерилизации разработаны на основе определения стерилизующего эффекта, разработанного в ГНУ «Всероссийский НИИ консервной и овощесушильной промышленности» Россельхозакадемии с использованием программы для расчета стерилизующего эффекта. Текст программы приведен в приложении A. Летальность микроорганизмов разработанных режимов стерилизации сравнивали со значениями летальности микроорганизмов режимов действующей технологической инструкции. Оценку режимов стерилизации осуществляли и с помощью коэффициента крайней неравномерности тепловой обработки (Ккн), на основе определения стерилизующих эффектов в крайней (Ак) и центральной (Ац) слоев: Ккн = Ак (2.4) Ац
В работе использованы общепринятые и специальные современные физико-химические, микробиологические и органолептические методы исследований. Использованы следующие методики исследования состава продуктов – содержание сухих веществ (ГОСТ 28562–90), витамина С – МОУ 47–2007; макроэлементов (калий, магний, кальций, натрий) – ПНДФ 14.1:2:4.167-00; лимонной и яблочной кислот – МОУ 47–2007 (ГОСТ 8856.23–70). Исследования проводились с использованием метода капиллярного электрофореза на приборе «Капель–105 М» и газожидкостной хроматографии. Микробиологические анализы проводились согласно НД на методы исследования: ГОСТ 10444.11–89, ГОСТ 10444.12–88, ГОСТ 10444.15–94, ГОСТ 29185–89, ГОСТ 10444.8–88, ГОСТ Р 50474–93, ГОСТ 30425–97.
Все опыты по определению качественных показателей проводились в 5-кратной повторности. Кроме того, все исследованные образцы консервов проходили дегустационную оценку.
Микробиологическую обсемененность продукта и тары определяли методом смыва образцов консервов и тары по ГОСТу 10444.7-86. Расчет бактериальной обсемененности плодов и тары проводили по формуле: a -10" -F Х = 2-, (2.5) KP-g где Х - число колоний в 1см3 продукта; а - число колоний, выросших на чашках Петри; g - объем посевного материала, внесенного на чашку Петри, см3; n -степень разведения пробы до посева; Vв - объем воды в банке, см3; Vпр - объем продукта в банке, см3.
Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение целесообразности использования интенсивной тепловой стерилизации плодоовощных консервов с использованием нагретого воздуха высокой температуры
На основании многочисленных экспериментальных исследований, проведенных с широким ассортиментом плодоовощных консервов, выявлено, что при тепловой стерилизации в потоке нагретого воздуха в статистическом состоянии банок, имеет место существенная неравномерность, величина которой может составлять 5–150С, в зависимости от объема банки и физических свойств продукта.
Таким образом, экспериментальные исследования по прогреваемости плодоовощных консервов, с предварительно повышенной начальной температурой, в потоке воздуха высокой температуры в неподвижных банках подтверждают наличие значительной разности температур, при которой отдельные слои продукта получают почти трехкратно превышающее требуемое, что естественно влияет на качество продукта и во вторых имеет место неэффективный и ничем необоснованный расход тепловой энергии.
Анализ результатов исследований вывил, что наряду с применением предварительного нагрева продукта в банках перед стерилизацией и высокотемпературных теплоносителей, также важно обеспечить и выравнивание температурного поля продукта в банке, для чего необходимо применение вращения банок в процессе тепловой обработки, которое одновременно обеспечить и интенсификацию процесса внутреннего теплообмена.
Исследованиями ряда авторов установлено, что применение высокотемпературных теплоносителей обеспечивает интенсификацию тепловой стерилизации консервируемых продуктов[12,112]. Причем, эффективность процесса тепловой обработки определяется комплексом параметров, а именно, температурой используемого теплоносителя и времени обработки. Важно также подчеркнуть, что эти параметры, как температура, так и время тепловой обработки продукта, являются микробиологическими параметрами процесса стерилизации, и при этом результатом несоблюдения требуемых их значений, является различные виды биологического брака консервов. Отмеченные и тесно связанные между собой эти два параметра, причем исключающие понятие о летальном времени, без учета температуры стерилизации, и наоборот, играют существенное значение при тепловой обработке.
Время стерилизации для любого конкретного режима тепловой стерилизации консервов определяется сложением времени поступления тепла в наименее прогреваемый слой продукта и летального для микроорганизмов времени т.е. времени, необходимого для уничтожения микроорганизмов находящихся в данной банки [112]. Тобщ = f(Tпр ,Tл), (3.3)
Известно также, что для всех видов консервируемых продуктом, существенным фактором, определяющим летальное время, является конечная температура продукта, характеризующим еще и тем обстоятельством, что зависимость между ними носит обратную связь, т.е. увеличение температуры стерилизации приводит к снижению летального времени[1].
Анализируя выражение (3.2), при этом учитывая и влияние на гибель микроорганизмов входящих в него параметров, можно заметить, что в общем случае в определенной степени (в зависимости от температуры) гибель микроорганизмов происходит в течение всего времени тепловой обработки, включая как период нагрева, так и охлаждения.
При этом, необходимо ориентироваться теми обстоятельствами, что для каждого конкретного случая, при определении параметров режимов тепловой стерилизации, необходимо руководствоваться нормами летальности для данного вида консервов.
Для компотов ориентировочные нормы летальности микроорганизмов составляют: A 81 05 =150- 200усл.мин Необходимо отметить, что применение методов компьютерного моделирования в процессе выбора, обоснования и установления параметров для оптимальных технологических решений исследуемых процессов играют существенную роль[112], что в конечном итоге обеспечивает возможность не только для теоретических исследований, но также осуществить выбор наиболее оптимальных технологических режимов.
При этом важно обеспечить наиболее существенные факторы, влияющие на корреляционные зависимости и оказывающие существенное воздействие на интенсивность теплового воздействия при тепловой стерилизации с применением нагретого воздуха высокой температуры, учетом возможных температурных перепадов по объему банки и скорости вращения. Необходимо также выявить и установить область оптимальных значений для этих факторов, которые бы обеспечили максимальный показатель интенсивности нагрева продукта, как имеющее наиболее важное практическое значение.
С учетом выше отмеченных выводов, в качестве наиболее характерных и необходимых факторов были установлены следующие: разность температур между наиболее и наименее прогреваемыми точками продукта - Y1 и частота вращения тары Y2. В качестве показателя была выбрана скорость нагрева продукта X.
Расчет экономической эффективности технологий плодоовощных консервов с использованием интенсивной тепловой стерилизации
Известен способ ротационного воздушно - водоиспарительного охлаждения консервов после тепловой стерилизации[53]. Сущность данного способа заключается в том, что до температуры 75-80оС охлаждение банок производят в потоке атмосферного воздуха, после чего охлаждение продолжается с нанесением на поверхность банки водяной пленки температурой 60-65оС с интервалом в 5-10 с, при этом в процессе охлаждения банка подвергается вращению с донышки на крышку с определенной частотой.
Способ в целом обеспечивает интенсификацию процесса охлаждения, но с точки зрения более полного сохранения органолептических показателей качества готовой продукции, вращение банок приводит к некоторому их ухудшению (целостность плодов, качество сиропа или рассола, и.т.д.)
Нами предлагается несколько усовершенствовать данный способ, изменив непрерывное вращение банок на прерывистое вращение с интервалом в 2-3 мин.
Такое выполнение способа обеспечивает практически такой же эффект охлаждения, но в два раза сокращает продолжительность вращения банок, что также немаловажно и с точки зрения экономической эффективности.
Кривые охлаждения компота яблочного в банках СКО 1-82-500 при двухступенчатом воздушном и воздушно-водоиспарительном охлаждении с прерывистым вращением банки при различных скоростях охлаждающего воздуха приведены на рисунке 3.23.
Кривые охлаждения компота яблочного в банках СКО 1-82-500 при двухступенчатом воздушном и воздушно-водоиспарительном охлаждении с прерывистым вращением банки при различных скоростях охлаждающего воздуха: 1-в=2,5 м/с ; 2-в=3,5 м/с ; 3-в=4,5 м/с ; 4-в=6,0 м/с
Анализ данного графика показывает, на первой ступени до 80оС продолжительность охлаждения в зависимости от скорости охлаждающего воздуха составляет соответственно: при в=2,5м/с – 11 мин; в=3,75м/с – 9 мин; в=4,5м/с – 8,5 мин. и в=6,0м/с – 8 мин.
В дальнейшем охлаждение продолжается с импульсным покрытием поверхности банки водяной пленкой и продолжительность окончательного охлаждения до температуры 60оС составляют соответственно: при в = 2,5м/с – 15 мин; в = 3,75м/с – 13 мин; в = 4,5м/с – 12,5 мин. и в = 6,0м/с – 11,5 мин.
Выявлено, что скорость охлаждения на первой ступени охлаждения при в=2,5 составляет 1,82оС/м и в дальнейшем повышается, достигая до величины при в=6,0м/с 2,5оС/мин. На второй ступени скорости охлаждения равны соответственно 3,33оС/мин при в=2,5м/с и постепенно увеличивается, достигая до 5,4оС/мин. Установлено, что повышение скорости воздуха с ив=4,5м/с до ив=6,0м/с влияет на скорость охлаждения.
Следовательно, повышение скорости охлаждающего воздуха более 5,0-6,0 м/с практически не оказывает существенного значения.
Графики охлаждения показывают, что выбор оптимальной скорости сделан правильно. В частности, если взять банку СКО 1-82-1000, продолжительность охлаждения до tK=60C составляют соответственно: при ив=2,75м/с - 20,5 мин; ив=3,75м/с - 16 мин; ив=4,8м/с - 14,8 мин. и ив=5,8м/с - 14,2 мин.
Такие же исследования по двухэтапному воздушному и воздушно-водоиспарительному охлаждения были проведены и для других банок. Результаты также показывают на правильный выбор оптимальной скорости воздушного потока. 00 80 60 0 5 10 15 20 25 продолжительность, мин Рисунок 3.24 - Кривые двухэтапного охлаждения яблочного компота в банке СКО 1-82-1000 при различных скоростях (5В) воздушного потока: 1-ив=2,5 м/с ; 2-ив=3,5 м/с ; 3-ив=4,5 м/с ; 4-ив=6,0 М/С Выполнив математическую обработку результатов экспериментов установлена математическая модель для расчета продолжительности ротационно - прерывистого двухэтапного охлаждения компотов. \P 1 - P 2(150)\P 4 -Ф(Т-80)Р5 -(Т-80) г = , (3.14) Р3 где: Р1=7,8; Р2=111,6; Р3=0,075+0,015; Р4=1,2+0,5 (V+0,01); Р5=1,2710 3+1,8910 3-4,610 V; Ф(х) - функция Хевисайда; V -объем банки; - скорость воздушного потока. Она дает возможность оценить роль всех основных факторов на процесс двухэтапного воздушно-водоиспарительного охлаждения консервов с прерывистым вращением банок.
Погрешность между опытными и расчетными значений колеблется составляет 5-8%.
Учитывая простоту и эффективность способ двухэтапного воздушно-водоиспарительного охлаждения, его можно рекомендовать для применения на предприятиях консервной промышленности и при проектировании аппаратов непрерывного действия.
Обоснование и разработка эффективного способа охлаждения плодоовощных консервов после интенсивной тепловой стерилизации и оценка эффективности новых режимов стерилизации
Все консервируемые в герметически укупоренной таре продукты, после достижения определенного уровня стерильности, подвергаются охлаждению.
При этом и в процессе охлаждения имеет место определенное стерилизующее воздействие, особенно на первом этапе охлаждения (до 70-75 С).
Отличительной особенностью стерилизующего воздействия периода охлаждения является то, что оно обеспечивается уже достигнутым температурным уровнем продукта, т.е., без дополнительного расхода тепловой энергии. И чем больше величина стерилизующего воздействия, в усл. мин, периода охлаждения, при равных значениях общей продолжительности тепловой обработки, тем энергоэффективным является режим стерилизации.
Для оценки эффективности режимов тепловой стерилизации нами предложен коэффициент эффективности режима, представляющий собой отношение величины стерилизующего эффекта периода охлаждения к общему значению стерилизующего эффекта, необходимого для обеспечения промышленной стерильности готовой продукции. Поэтому, желательно процесс охлаждения на первом этапе проводить медленнее, чтобы повысить величину стерилизующего воздействия. Это позволить оптимизировать энергетические затраты на выработку единицы продукции.
Сущность разработанного способа охлаждения[17] заключается в том, что на первом этапе процесс охлаждения осуществляется атмосферным воздухом с незначительной скоростью (1,5-2,0 м/с) с продолжение охлаждения более интенсивно с нанесением на поверхность банок водяной пленки температурой 65-70С, что обеспечивает более интенсивное охлаждение на втором этапе охлаждения.
Кривые охлаждения (1,2) и летальности микроорганизмов(3,4) яблочного компота в банке объемом 0,5 л в потоке атмосферного воздуха скоростью 2,0 м/с до 70 0С с последующим воздушно-водоиспарительным охлаждением (1) при скорости воздуха 6,0 м/с (2) приведены на рисунке 3.25