автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Кинетика процесса стерилизации консервов в гидростатическом стерилизаторе непрерывного действия

салкт-петербургсщгй технологический институт холодапыюи пралшшашости

рге

ОД На правах рукописи.

уда.664.819.075.П

НЕЧШ1УРЕНК0 ИРШ1Л ПЕТРОВНА

ЩШТШ ПРОЦЕССА СТЕРИЛИЗАЦИИ КОНСЕРВОВ В 1ЭДР0-СТАИГЕЗСКОМ СТЕРИЛИЗАТОРЕ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Спзциальность 05.18.12 - Процессы, машины и агрегаты

пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических .наук

Санкт-Пе те роург 199-',

Работа выполнена в Санкт-Петербургском технологическом холодильной промышленности.

институте

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Лепилин В.Н. *

Официальные оппоненты - Д.т.н., проф. Иаолов ,А,Ы. ^ к.т.н., Серажутдинов O.A.

Ведущее предприятие - . ДальрыбВТУЗ

Залдата состоится д С(-4-0 К 1994 г. в /^>чааов на заседании специализированного Совета Д 063,02.02 при Санкт-Петербургском технологическом институте холодильной промышленности по адресу: 191002,"Санкт-Петербург, ул.Ломоносова,9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан 5 1994 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направить в адрес Совета института.

Ученый секретарь У/ /

специализированного Совета / Л, __л

к.т.п., доцонт //м^* Ю.Г.Стегаяичсв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Консервная промышленность ><>зволяет сохранять пищевые продукты в герметической упаковке длительное время, что, в свою очередь, приводит к улучшению снабжения населения продуктам! питания, независимо от сезонности их заготовки.

Одним из наиболее важных и сложных этапов процесса стерилизации является термическая обработка продукта, в результате которой происходит подавление жизнедеятельности микроорганизмов, вызывающих порчу пищевых продуктов, и создаются необходимые предпосшпш для длительного его хранения и безопасности для жизни потребителя.

Качество консервов в значительной степени зависит от методов и технических средств их осуществляющих. Наиболее распространенным и старым аппаратом для стерилизации является автоклав. Ему присущи недостатки, которые отсутствуют в аппаратах нецрерывного действия. Поэтому применение стерилизаторов непрерывного действия находит все большее распространение. Необходимо установить кинетические закономерности процесса непрерывной стерилизации, которые до после,днего Ьремени мало изучены, но существенны для управления процессом.

Следует отметить, что широкое применение стерилизаторов непрорывного действия в промышленности возможно лишь при строгом соблюдении заданного режима работы, что обеспечивается, не в последнюю очередь, мехш. том загрузки банок в носитель. Любые сбои в его работе приводят к остановке стерилизатора и, как следствие, к перевару консервов. Поэтому требования, предъявляемые к его работе, должны быть максимально жесткими.

Цель работы. Создание математической модели, адекватно отражающей процесс стерилизации консервов в гидростатическом стерилизаторо. Данная модель должна предусматривать, наряду, с теплофизическим аспектом проблемы, возможность определения микробиологического сос-стояния продуктов..

Проверка адекватности предлагаемой математической модели и разргИотка научно обоснованных рекомендаций по режимам тепловой обработки консервов в сторилизаторе непрерывного действия. •

Модернизация мехашзма загрузки нарушающего заданный режим процесса стерилизации.

ряучная новизна. Впервые сформулирована математическая модель процесса стерилизации консервов в гидростатическом стерилизаторе непрерывного действия и проанализирован}! зависшлости дашюго про-цесоа от теплофизических характеристик продукта.

Разработан алгоритм расчета температуры во всех точках внутри исследуешх банок. На основе проведенных расчетов при широкой вариации теплофизических параметров исследуешх консервов, научно обоснованы и рекомендованы решали стерилизации некоторых видов кон-сорвов в гидростатическом стерилизаторе непрерывного действия. Показано, что рекомендуемые рентам обеспечивают микробиологическую стабильность консервов.

Создана экспериментальная установка для проверки адекватности математической модели реальному технологическому процессу.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель и алгоритм ее расчета могут бить использованы при проектировании новых моделей стерилизаторов непрерывного действия, а таккз при разработке режимов стерилизации новых видов колсервов.

Дян устранения нарушении задашюго рекиыа стерилизации предложено усовершенствование конструкции гидростатического стерилизатора, защищенное авторским свидетельством СССР Ожидаемый экономический эффект от внедрения этого изобретения на одном стерилизаторе составляет I млн.137 тис.рублей в год (в ценах 1981 г.) за счет ликвидации заломов банок и связашшх с ними простоев сте- ■ рилизатора.

Реализация работы в ггеомишонности. Разработанная методика расчетов режимов стерилизации, а также усовершенствование конструкции аппарата боли использованы при внедрении гидростатического стерилизатора непрерывного действия на плавучей консервной базе.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы далошэш и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, инженеров и аспирантов ЛТ1Ш1 и Дальрыбвтуза (1988-1993 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы и получена одно авторскоо свидетельств.

- о -

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов работы, сгшска литара-туры и приложений. Работа изложена на стршшцах машинописного

текста, включая Л7 рисунков к таблиц. Список 1птературы содержит (М наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Из проведенного анализа литературы следует, что в настоящее время стерилизаторы непрерывного действия находят все большее применение в консервной промышленности, однако, кинетические закономерности процесса непрерывной стерилизации до последнего времени не были изучены.. Поэтому необходимо создать соотвотствупцую математическую модоль, адекватно отражающую процессы непрерывной стерилизации. Данная модель должна предусматривать наряду с теплофизцческим аспектом пробле;,ш возможность определения микробиологического состояния продуктов.

С целью проверки правильности предлагаемой математической моде-Л1т и разработки научно обоснованных рекомендаций по режимам тепловой обработки консервов в стерилизаторе непрерывного действия необходимо провести также экспериментальное изучение процесса стерилизации.

Для обеспечения не^ерывности работы технологической лиши и выдержки заданного режима стерилизации необходимо выявить ненадежные узлы аппарата л провести их модернизацию.

В работе разработана математическая модель процесса стерилизащь консервов в стерилизаторе непрерывного действия. За основу был взят гидростатический'стерилизатор непрерывного действия А9-ИСА,упрощенная схема которого представлена на рис.1. Стерилизатор состоит из прямоугольного корпуса, который разделен .на четыре камеры - подогрева 5,собственно стерилизации 6 и две охлаждения 7,8. Банки, направляемые на стери лзацию, загружают в носители,закрепленные на цепном конвейере I, автоматически механизмом загрузки 2. После стерилизации банки разгружаются на разгрузочной станции Я. Время пребывания банок в каморе стерилизации регулируют изменениега длины участкш цепи конвейера, находящегося в камере стерилизации, путем перестановки подвижных валов 4 конвейера или скоростью цепного конвейера.

При разработке математической модели, описывающей стерилизацию консервов в'таком аппарате, был сделан ряд упрощающих предположений, которые не ограничивают существенным образом общности поставки задач»

Предоолагалось, что банки, попадающие в камеру 5, имеют одинаковую температуру, определяемую температурными условиями фасовки и транспортирования консервов. Как правило, данная температура незначительно отличается от температуры 01:ружающей среды.

В реальной технологической установке, рассматриваемой в настоящей работе, батароя банок, уложенных в носитель, образует правильный горизонтальный цилиндр, дайна которого много больше диаметра. Следовательно, определяющим для прогрева банок является тепловой поток через боковую поверхность цилиндра, а потоками теплоты через торцы цилиндра можно пренебречь, так как площадь боковой поверхности значительно больше поверхности торцов, а тепловое взаимодействие между банками пренебрежимо мало. С математической '.сочки зрения это означает-прогрев батареи банок ■ : можно рассматривать как прогрев бесконечно длинного цилиндра.

Кроме ваше перечисленных в настоящей работе принято допущение о том, что теплофизические параметры продукта: теплопроводность, теплоемкость, плотность и, как следствие, температуропроводность на зависят от температуры, а термическим сопротивлением стенок жестяной тары можно пренебречь по сравнению с термическим сопротивлением пролукта.

Принятые в работе допущения позволили свести рассмотрение теп-лофизического аспекта задачи о стерилизации консервов к решению дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности:

ИМ __ ал + ± Ш] ' (I)

при , ^ с я

Здесь Т (Л, Г ) - распределении температуры по радиусу внутри цилиндра в момент времени Ъ а п - температуропроводность цилиндра (продукта), И - внешний радиус цилиндра.

Уравнение (I) записано в цилиндрической системе координат.При эти использовалось допущение о том,' что прогрев цилиндра осуществляется ососиммауричным образом, т.е. отсутствует угловая зависимость тепловых потоков.

Решение этого уравнения проводилось при следущих граничных умовшсс:

?

А9 -ИСА.

Рас. 2. Дин шика прогрева консервов в различных точках банка.

О 0,2 0,4 0,6 0,8 •. 1,0 "Z

Рис, 3. Распределение томпвратуры по радиусу балка в различные моменты времени.

/ши./

• 0 20 40 60 an Z ,шш. feo. 4. Изменение температуры: l-rpenueii среды, 2- б центре tías» /вкспврхивиг/,3- в центре банки /чясяонеый расчет/, 4- расчетное значение ¿Г- э?)$ЗЕта.

- Так как задача обладает осевой симметрией, а внутри цилиндра отсутствуют тепловые источники (стоки), то градиент температуры в центре цилиндра равен нулю:

о: (2)

> дг >

- Теплообмен на поверхности банок происходит по закону Ньютона:

г-Я, (3)

гдес(.\^- коэффициент теплообмена ТЪ(Т) и Т^ (В-, - температуры среда и поверхности цилиндра, соответственно,"

Так как банки при своем движении попадают в различные среды (вода, пар) с разными теплофизическими характеристиками, то дальнейший анализ задачи проводили отдельно на каждом из этайов стерилизации.

Начальным для решения уравнения (I) на первом этапо является условие ' ■ ;

т = о , т (о,г) = тн. (4)

Температура греицей среды возрастает от Т^ при входе в камеру до при выходе из нее. Так как скорость перемещения банок по каналу камеры подогрева является постоянной величиной, принято допу-щеше, что температура воды вдоль канала изменяется по -закону, близкому к линейному:

Тс ( Г ■) =-Тг + К ■%■. (5)

где коэффициент К однозначно оцределяется начальной и конечной температурами Т^ и Т2, соответственно, и полным временем наховдегаш банок в канале камеры:

К= (т2 - тх) . /г, . (6)

Значение коэффициента теплоотдачи oL ^ между греющей средой и батареей банок, входящего в формулу (3), определяется не только тепло-физическими характеристиками среды, но и зависит от конкретных условий процесса теплоотдачи, влиящих на его интенсивность.

Tait как скорость движения батареи банок вдоль канала достаточно мала, то на значение коэффициента теплоотдачи влияют и естественная,"и вынужденная конвенции. Выполненные в работе оценки показали, что в рассматриваемом нами случае величины естественной и вынужденной конвенции сравнимы между собой:

fjUсв. = 120, л/t/ вын.= 40, . (7)

поэтому при вычислении коэффициента теплоотдачи необходимо учитывав оба механизма передачи тепла, при этом значение коэффициента теплоотдачи между батареей банок и нагревающей их жидкостью в водяном объеме кялеры стерилизации составило величину порядка 10 Br/ÎM2- К).

Поставленная задача (I) - (5) решалась методом разделения переменных. При этом в работе показано, что динамика процесса прогрова зависит от начальной температуры банок Т и температур греющей среды Tj- п Т2 и определяется двумя безразмерными тешюфизическими критериями бйо (в г о = cL- /?/А л) и Фурье ( Fo = ап - t/Rz). ■

Общее решение задачи тлеет следующий вид:

,где & ( Fo.î) - безразмерная температура,определяемая по формула Cn-^^-lJ-exp^/^-Fo) (0)

Ностояннне значешш С п определяются из начальных и гршшч-ных условии при постановке решения (8) в формулы (4)-(5) и рашш:

С л

- II -

•щ^т ^ -й- ¿м^ , "°>

а собственные значения//,,определяются из решения трансцендентного уравнения '

у, (//Г ы ; <")

где У о (а) ) 3 / - функции Басселя, первого' рода нулевого и первого порядка, соответственно.

При переходо батареи банок из водяной в паровую среду условия теплоотдачи на стенках банок существенным образом меняются. Если в водяном объемо теплоотдача осуществлялась кошективншл путем, то в паровом объеме камеры стерилизации нагрев батареи банок происходит за счет скрытой теплоты фазового перехода пар-жидкость, выделяющейся на поверхности банок в результате конденсации пара. Так как па поверхности банок происходит пленочная конденсация пара, можно воспользоваться полуэмпиричоской формулой для вычисления среднего значения коэффициента теплоотдачи (подстрочный индекс \/относится к параметрам пара): •>. ■

- 0 725 " а • . (12)

' V о . л Г • -Р

Дальнейший анализ задачи проводился аналогично решешт задачи в водяном объеме. .

В работе- также проведено численное исследование здачи с помощью . .етода коночных разностей. В качестве определяющих тенлофнзических характеристик' процесса были взяты величины, соответствующие стерилизации рыбных консервов (ставрида, скумбрия, сельдь иваси) в багасах № 6.

На рис.2 приведены типичные для проведенных' расчетов зависииост: температуры в различных точках цшиищра от времени (центр цилиндра: И = 0 (кривая I); 1 - 0,4 (2); = 0.8 (3); поверхность цилиндра: "2 = 1,0 (4) ) . Путстирной кривой соответствует температура теплоносителя (вода, пар)(5),

Анализ приведенных кривых показывает, что ввиду достаточно небольшой температуропроводности продукта ( с/о = 4,0 • 10~7м*/с) тепловая инерционность содержимого банок очень велика. Как следствие характерное время прогрева продукта в центре банки до температуры стерилизации составляет около I часа (кривая I). Более того, температура поверхности банок также не успевает за время нахоздения в водяном объеме (Г Т^-) достичь температуры окружающей среда (кривая 4). Это, в частности, означает, что при проведении инженерных расчетов нельзя полагать изначально температуру поверхности банок равной температуре теплоносителя. Данное упрощающее предположение, часто исполг. зуемое при математическом анализе работы стерилизаторов, приводит к заниженному значению полного времеш! стерилизации продуктов.

На рис.3 представлены графики распределешш температуры по радиусу банки в различные моменты времени (кргвая I - 'С = 5 мин, 2 - 10 , 3 - 15,4 - 30,5 - 60,6 (начало охлаждения) - 70). Эти данные хорошохогласуютоя с результатами экспериментальных работ, проведенных другими авторами, которые рассматривали процессы стерилизации консервов в автоклавем

Из графиков видно ,\ что за время нахождения банок в водяном объеме основное количество теплоты, полученное банками, сосредотачивается в наружных слоях банки (кривая 3). К моменту выхода банок из парового объема (кривая 5) содержимое банок успевает прогреться практически до одинакового значения во всех точках банки.

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что уже после выхрда банок из парового объема температура в центре банок в течение достаточно длительного времени продолжает оставаться близкой к максимальной температуре, .в то врет как температура поверхности банок уже уменьшается (кривые 5,6 га рис.3). Именно в это время происходит паиболэе интенсивный процесс стерилизации в цевтре банок

Предварительные исследования проводили на промышленном.автоклаве Б6-КАБ-2 с целью отладки методики эксперимента для апробированиях режимов стерилизации консервов.

Последующе исследования проводили на специально созданной длл этих целей экспериментальной установке, которая нозволзша модолн-рсвать ре ним работы стерилизатора непрерывного дейстшя. Подробное описшше установки приводатся в диссертационной работе.

В процессе опытов посредство!", термопар измеряли теглпоратуры в различных точках исследуе:лцх консервов, а тагао температуру греющей сроды. Эти данные использоваяп при выборе регсшов стерилизации.

В результате проведенных опытов был получен большой фактический материал по стерилизации консервов двух видов: 1'Сельдь иваси натуральная" и "Ску!.1брия натуральная с добавлением масла" в банках 15 6. Исследоватш проводили при иирокоп вариации рехимов стерилизацга.

Результаты экспериментального исследования позволили ■ проверить адекватность предложенной математической модели реальному техтгологл-ческому процессу н, как следствие, вычислить микробиологическую 1 эффективность различных режимов стерилизации ( - эффект).

В ходе проведения экспериментальных исследований4 была проведена модернизация лромлэлошюго стерилизатора А9-ИСА, связамгая с повышением надежности работы загрузочного устройства, в котором происходили заломы банок при подаче их в носители, что, р свою очередь, приводило к остановке работы цепного конвейера и, как следствие, к трупе шт заданного рекп.а. стерилизации. С целью устранения указанного недостатка было предложено усовершенствование конструодш загрузочного устройства стерилизатора, зшцищенное авторским евзде-тельством СССР.

На основе сопоставления экспериментальных данных с результатами численных расчетов в работе проведено обоснование' выбора режимов' стерилизации консервов в гидростатическом стерилизаторе непрерывного действия А9-ИСА, а такмз проведен Деталышй анализ температурных кривых, полученных зкеперимонтально. и с помощью численного моделирования.

На рис.4 представлены результаты обработки теоретических и экспериментальных данных, соответствующих формуле стерилизации:

16-53-16

Анализ приведенных, кривых показывает хорошую сходимость теоретических и экспериментальных данных в области высоких температур. Если учесть, что именно при температурах, больших Ю0°С, идет собственно процесс стерилизации, то можно сделать вывод о правомерности использования предложенной математической модели.

Как следствие, достоверным является и значение фактического стерилизующего эффекта (1фивая 4 на рис.4), который зависит от температурного режима стерилизации.(13) и вычисляется по формуле:

10-"те— с/г., (14)

где Т' - время стерилизации, 2 - константа термоустойчивости микроорганизмов (берут из справочников), Т ( V ) - зависимость температуры в центре банки от времени.

Следует также обратить' внимание на то, что максимальной температуре в центре банки Соответствует точка перегиба на зависимости - эффекта от времени, то есть максимальной температуре соответствует максимальная скорость уничтожения микроорганизмов. Данное наблюдение согласуется с теоретическими положениями о. зависимости жизнедеятельности микроорганизмов от температуры.

В результате математического анализа, правомерность которого подтвердили данные бактериологических анализов и органолептическио показатели, для промышленного применения при работе на гидростатическом стерилизаторе били рекомендованы следующие формулы стерилизации: .

для консероов "Сельдь иваси натуральная"

- производительность 220 б/мин (15)

120

для консервов "Скумбрия натуральная с добавлением масла"

16-53т16 - производительность 220 б/мин (16)

120

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Вперше разработана математическая модель процосса стерилизации консервов в гидростатическом стерилизаторе непрерывного действия, как сложной системы и включает в себя модели процессов в каморе подогрова, в камере стерилизации, а также на начальной стадии охлаждения. •

2. На основе анализа математической модели показано, что определяющими параметрами тепловой обработки консервов являются критерия Био и фурье. Проанализированы зависимости процесса стерилизации от этих параметров.

3. Разработан алгоритм расчета изменения температуры во всех точках внутри исследуемых банок. Проведенные расчеты позволили обосновать и рекомендовать режимы стерилизации некоторых видов койсервои в гидростатическом стерилизаторе непрерывного действия. Получены формулы стерилизации. ч

Показано, что рекомендуемые режимы обеспечивают микробиологическую стабильность консервов.

4. Создана экспериментальная установка для проверки адекватности математической модели реальному технологическому процессу. Показана удовлетворительная сходимость расчетных и опытных данных.

5. Рекомендуемые режимы стерилизации использованы на плавучей консервной базе. Правильность выбранных режимов подтверждена результатами дегустационного совещашш. ,

6. Предложено усовершенствование конструкции механизма загрузки гидростатического стерилизатора, защищенное авторским свидетельством СССР, "кидаемый экономический эффект от внедрения этого изобретения на одном стерилизаторе составляет I шш.137 тыс,рублей в год (в ценах 1981 г.) за счет ликвидации заломов банок и связанных с ниш простоев стерилизатора.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

I. Стронская И.П. (Нечипуренко), Шелестов И.И. Стерилизатор ь. прерывного действия на рыбообрабатывающем судне. Рыбное хозяйство, 1983, И 3, с.65-66.

2. Л.с. И 11Э9231 СССР. Поворотная лопасть загрузочного устройства стерилизатора. Стронская И.П. (Нечипуренко). Заявл.29.02.84 опубл. 23.12.65 в'Б.И. 47.

3. Нечипуренко II.П. Некоторая специфика процесса стерилизации консервов в гидростатическом стерилизаторо непрерывного действия. Б сб."Интенсификация процессов, оборудование и управление ш'щевых производств". Л., ЛТИХП, .1991, с.112-115.

4. Нечипуренко И.П. "Кинетика процесса стерилизации консервов в стерилизаторе непрерывного действия". Тез.докл. Всесоюзной науч-но-тохнической конференции "Холод - народному хозяйству".' Л. ДТИХП, 1991, с.368.

5. Лопилин В.Н., Нечипуренко И.П. Численные исследования тепловой обработки рыбных консервов в гидростатическом стерилизаторо. В сб."Интенсификация процессов пищевых производств, оборудование

и его соворшенствованио". С-П.С-ЛТИХП, 1993, с.62-63.

Подписано к печати 28.04.94. Формат СО/84 1/16. Бум. .газетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 269.

Малое предприятие "ТеплоКон" Санкт-Петербургского технологического института холодильной (громышленности. 191002, Санкт-Петербург, ул.Ломоносова, 9