автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка и исследование модернизированного способа стерилизации консервов из гидробионтов

На пр^^с^укописи УДК 664.951.6.036.26-048.35(043.3)

КАЙЧЕНОВ АЛЕКСАНДР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО СПОСОБА СТЕРИЛИЗАЦИИ КОНСЕРВОВ ИЗ ГИДРОБИОНТОВ

Специальности 05.18.04 -Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 0 0 ¡ч 7 2011

Мурманск-2011

4857595

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" на кафедре автоматики и вычислительной техники.

Научные руководители:

кандидат технических наук, доцент Гроховский Владимир Александрович кандидат технических наук, доцент Маслов Алексей Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Фатыхов Юрий Адгамович доктор технических наук, профессор Богатиков Валерий Николаевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Атлантический институт рыбного хозяйства и океанографии" (ФГУП "Атлант НИРО").

Защита состоится 02 ноября 2011 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 307.009.02 в Мурманском государственном техническом университете по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, д. 13, ФГБОУ ВПО "МГТУ".

Автореферат размещен на сайте www.mstu.edu.ru 30 сентября 2011 г. Автореферат разослан 30 сентября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 307.009.02,

канд. техн. наук, профессор

И. Н. Коновалова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение населения качественными и безопасными продуктами из гидробионтов является стратегической задачей рыбной отрасли России. Одним из наиболее популярных продуктов в нашей стране являются стерилизованные консервы, а ключевым процессом, определяющим их безопасность и качество, является стерилизация.

Большой вклад в разработку теоретических и практических основ технологии стерилизованных консервов внесли такие ученые, как Б. Л. Флау-менбаум, В. П. Бабарин, С. А. Артюхова, Л. Т. Серпунина, 3. П. Швидкая, В. Бигелоу, Ч. Болл, Ч. Стамбо и другие.

Поскольку ассортимент выпускаемых консервов в условиях жесткой рыночной конкуренции постоянно расширяется, а к безопасности и качеству продуктов предъявляются все более высокие требования, совершенствование технологии стерилизованной продукции не теряет своей актуальности.

Создание новых видов консервов, применение новых видов консервной тары требуют разработки научно обоснованных формул стерилизации, утверждаемых затем в установленном порядке.

Существующие методики установления и применения формул стерилизации в России не меняются уже десятилетия и основаны на использовании двух параметров - температуры и продолжительности воздействия на продукт стерилизационной среды (пара, воды, паровоздушной смеси). Эти параметры, в конечном итоге, определяют уровень фактического стерилизующего эффекта (Р - эффекта), который в результате проведения процесса должен превысить нормативный. Анализ действующих (утвержденных) режимов стерилизации для различных видов консервов свидетельствует о том, что в ряде случаев установленные температурно-временные режимы стерилизации приводят к значительному превышению нормативного стерилизующего эффекта. Одним из путей решения данной проблемы является непосредственное регулирование и контроль процесса стерилизации по Р-эффекту. До сих пор использование данного решения сдерживалось по различным причинам. В настоящее время, благодаря появлению средств высокоточного измерения температуры в центре банки, доступных средств автоматизации на базе микропроцессорной техники, стало возможным заканчивать процесс стерилизации именно тогда, когда достигнута требуемая летальность.

Разработка режима стерилизации зачастую требует использования значительных энергетических, материальных и временных ресурсов. Трудоемкость его разработки обусловлена проведением большого количества автоклавоварок,

необходимых для получения и утверждения режимов стерилизации. Очевидно, что упрощение процедуры разработки возможно при использовании метода температурного моделирования. При этом, для получения модели процесса, представляющей совокупность температурных моделей стерилизатора и продукта, можно значительно сократить количество необходимых автоклавоварок.

Использование адекватных моделей позволит получить оптимальный температурно-временной режим стерилизации, точно обеспечивающий требуемую летальность. Предлагаемый способ стерилизации отличается от традиционного современным подходом к технологии стерилизованных консервов, и в связи с этим получил название "модернизированный".

Таким образом, разработка и исследование модернизированного способа стерилизации консервов из гидробионгов, позволяющего упростить разработку режимов стерилизации и сократить продолжительность процесса стерилизации, предопределяют актуальность данной работы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и научное обоснование модернизированного способа стерилизации консервов из гидробионтов (по фактическому стерилизующему эффекту). Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

■ провести аналитические исследования традиционных и перспективных методов автоклавирования консервов из гидробионтов и методик построения формул стерилизации;

■ провести теплотехнические исследования новой алюминиевой банки Impress конической формы и экспериментально определить ее наименее прогреваемую область;

■ получить математические температурные модели продукта из гидробионтов (консервы "Печень трески натуральная") и автоклава (АВК-ЗОМ) при стерилизации в водной среде;

■ разработать модернизированный способ стерилизации консервов в водной среде, основанный на вычислении фактического стерилизующего эффекта и использовании его в качестве основного регулируемого и контролируемого параметра;

■ разработать и реализовать оптимальную микропроцессорную автоматическую систему управления для модернизированного способа стерилизации;

■ изготовить опытную партию консервов "Печень трески натуральная" в новой банке Impress;

■ исследовать готовую продукцию на промышленную стерильность;

■ определить показатели качества готовой продукции;

■ разработать техническую документацию на изготовление и стерилизацию в водной среде модернизированным способом консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress.

Научная новизна работы.

Научно обоснован и разработан модернизированный способ стерилизации (по фактическому стерилизующему эффекту).

Предложены аппроксимирующие температурные модели продукта (консервы "Печень трески натуральная") и автоклава АВК-ЗОМ при стерилизации в водной среде.

Впервые разработана оптимальная автоматическая система управления процессом стерилизации консервов по модернизированному способу.

Практическая значимость работы.

Разработана и запатентована стерилизационная установка (Патент РФ на полезную модель № 94418 от 27.05. 2010 г.)

Получено Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2008614098 Рос. Федерация "MISt.Reader_OWEN. (МИСт. Преобразование отчетов ОВЕН)".

Разработана техническая документация на изготовление и стерилизацию в водной среде модернизированным способом консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress.

Подана заявка на патент РФ на изобретение "Способ управления процессом стерилизации консервов, основанный на F-эффекте" № 2011124095 от 14.06. 2011 года.

Результаты научных исследований будут использованы для промышленного выпуска консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress в пре-сервно-консервном цехе "Кильдин" ОАО "Мурманский траловый флот" и ООО "Роскон" (Калининградская обл.), а также в учебном процессе подготовки инженеров по специальностям 260302.65 "Технология рыбы и рыбных продуктов", 260602.65 "Пищевая инженерия малых предприятий", 220301.65 "Автоматизация технологических процессов и производств", бакалавров по направлениям 260200.62 "Продукты питания животного происхождения", 220700.62 "Автоматизация технологических процессов и производств".

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается тщательной проработкой моделей исследуемых процессов, корректным применением методов аппроксимации, идентификации и теории оптимального управления, использованием апробированных расчетных методик, согласованием данных расчетов и экспериментов.

Внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в виде сте-рилизационной установки АВК-ЗОМ в учебно-экспериментальном цехе (УЭЦ) кафедры "Технологии пищевых производств" (ТПП) ФГБОУВПО "Мурманский государственный технический университет" (МГТУ). Основные положения работы, выносимые на защиту: •математические температурные модели продукта (консервы "Печень трески натуральная") и автоклава АВК-ЗОМ при стерилизации в водной среде;

•модернизированный способ стерилизации консервов, основанный на вычислении фактического стерилизующего эффекта и использовании его в качестве основного регулируемого параметра;

•оптимальная микропроцессорная система автоматического управления процессом стерилизации;

• результаты исследований готовой продукции на промышленную стерильность;

•показатели качества готовой продукции.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск, 2009,2011); VII всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и современные информационные технологии" (Томск, 2009); международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора Н. Н. Рулева "Техника и технологии переработки гидробионтов и сельскохозяйственного сырья" (Мурманск, 2008); X Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2010, золотая медаль), Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "HayKOBÍ здобутки молод1 у виршент агауальних проблем виробницгва та переробки сировини, стандартизацн i безпеки продовольства" (Украина, Киев, 2011)

Экспериментальная часть работы выполнена в Мурманском государственном техническом университете в рамках научно-исследовательской работы по госбюджетным темам "Комплексная модернизация систем контроля и управления процессами стерилизации и копчения" (ГР № 01200900799) и "Разработка и совершенствование технологий стерилизованных пищевых продуктов" (ГР№ 01200603804).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получены авторское свидетельство на программу для ЭВМ и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (116 наименований) и 19 приложений. Работа изложена на 191 странице, содержит 58 рисунков и 36 таблиц. В приложениях представлены алгоритмы, расчеты, программы и акты испытаний, акт внедрения, выписка из протокола дегустационного совета, технологические инструкции.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы защищаемые положения.

В первой главе проведены аналитические исследования современного состояния консервного производства, анализ традиционных способов стерилизации консервной продукции, выявлены их достоинства и недостатки. Сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе "Объекты и методы исследования, организация эксперимента" представлена программно-целевая модель исследований (рис. 1), приведена характеристика объектов и методов исследования.

Рис. 1. Программно-целевая модель исследований

Объектами исследования являются: сырье и консервы "Печень трески натуральная" в банке Impress; автоклав АВК-ЗОМ.

Эксперименты проводились на кафедрах автоматики и вычислительной техники, технологий пищевых производств,, а также в учебно-экспериментальном цехе МГТУ.

При разработке технологии изготовления консервов "Печень трески натуральная" в новой банке Impress с использованием модернизированного способа стерилизации определяли качественные показатели сырья, ингредиентов и готовых продуктов.

Химический состав сырья и ингредиентов определяли по ГОСТ 763685. Показатели качества консервов "Печень трески натуральная" определяли по ГОСТ 13272-2009 и в соответствии с балльными шкалами с учетом коэффициентов значимости отдельных показателей качества (Волченко В. И., 2004), а также с использованием профильного метода (Сафронова Т. М., 1985).

Микробиологические испытания проводили согласно ГОСТ 30425-97.

Описана банка Impress как новый вид консервной тары при стерилизации печени трески. Особое внимание уделено определению наименее прогреваемой области конической банки. Была выдвинута гипотеза о смещении вверх наименее прогреваемой области банки Impress, относительно половины ее высоты. Проверка гипотезы проводилась тремя способами: математическим описанием геометрических особенностей банки; расчетом теплопередачи в банке с продуктом с помощью современного математического пакета MatLab; экспериментально.

Описана стерилизационная установка АВК-ЗОМ и алгоритм ее работы в ходе процесса стерилизации в водной среде. Особое внимание уделяется стери-лизационной камере автоклава, методикам исследования температурного поля.

Аналитические исследования в области традиционных способов стерилизации консервов, установления режимов автоклавирования для консервов в соответствии с утвержденным регламентом и методиками, свидетельствуют о том, что большинство формул стерилизации утверждается со значительным превышением фактического стерилизующего эффекта над требуемой летальностью. При этом, с одной стороны, гарантируется безопасность выпускаемой продукции, с другой стороны, утрачиваются её ценные качественные характеристики, повышаются энергозатраты, увеличивается продолжительность процесса стерилизации.

Поэтому предложен модернизированный способ стерилизации, основанный на вычислении фактического стерилизующего эффекта и использовании его в качестве регулируемого параметра в системе автоматического управления процессом автоклавирования.

Предлагаемый способ стерилизации заключается в достижении значения фактического стерилизующего эффекта, не превышающего нормативный стерилизующий эффект более, чем на 10 %. На протяжении всего процесса осуществляется расчет значения температуры в наименее прогреваемой области банки с продуктом по результатам численного моделирования с использованием математического описания стерилизационной камеры автоклава, а также текущих значений температуры в аппарате. Расчет фактического стерилизующего эффекта Ь2Т осуществляется для вычисленных значений температуры продукта по формуле:

тг _ V с1т

ЬТ~ } Тб-Т„р(,)' (1)

о 10 г

где Тб - базисная температура, °С;

ъ - число градусов, на которое необходимо изменить температуру, чтобы время термической смерти микроорганизмов изменилось в 10 раз, °С; х - время стерилизации, с;

Тпр(т) -вычисленное текущее значение-температуры продукта, °С.

После проведения предварительного моделирования процесса стерилизации установлено, что наиболее эффективное регулирование температуры в стерилизационной камере автоклава на этапах нагрева и стерилизации должно осуществляться таким образом, чтобы за минимальное время достичь 6090% от заданного уровня фактической летальности для конкретного вида консервной продукции, что приводит к уменьшению продолжительности процесса.

Этап охлаждения консервов и, соответственно, снижение температуры продукта осуществляется так, чтобы фактический стерилизующий эффект

не превышал нормативный стерилизующий эффект более, чем на 10 %.

Функциональная схема системы автоматического регулирования по фактическому стерилизующему эффекту приведена на рис. 2.

Как видно из схемы, основным регулируемым параметром является фактическая летальность Ь*(0, заданным значением для которой является РзадСО- Разность заданного и текущего значений фактической летальности ДЩ) поступает на блок 1, в котором вычисляется невязка текущего значения

фактического стерилизующего эффекта и значения, рассчитанного на основе математического описания стерилизационной камеры автоклава.

Рис. 2. Функциональная схема системы автоматического регулирования по фактическому стерилизующему эффекту (*- рассчитанные значения) где [Р313(Ч) - заданное значение фактического стерилизующего эффекта;

Ь*(1) - текущее рассчитанное значение фактической летальности;

ДЦО - невязка (разность) заданного и текущего значений фактической летальности;

Т*Пр(Ч) - текущее рассчитанное значение температуры продукта в наименее прогреваемой области банки;

ТС„(Ч) - текущее значение температуры в стерилизационной камере автоклава;

Тзщ(0 - заданное значение температуры стерилизационной камеры].

Как видно из схемы, основным регулируемым параметром является фактическая летальность Ь*0), заданным значением для которой является РзаД(0- Разность заданного и текущего значений фактической летальности ДЦО поступает на блок 1, в котором вычисляется невязка текущего значения фактического стерилизующего эффекта и значения, рассчитанного на основе математического описания стерилизационной камеры автоклава.

При нулевом значении невязки температура Тзад(1) определяется по значению блока 2 "Оптимальная формула стерилизации". При превышении невязкой значения 0,1 усл.мин, "Блок задания Т" изменяет продолжительность этапа собственно стерилизации таким образом, чтобы уменьшить невязку до нуля и обеспечить требуемое значение летальности.

Формула стерилизации отличается от традиционной тем, что ее параметры оптимизированы по определенному критерию. Исходя из того, что при модернизированном способе стерилизации требуется провести этапы нагрева и собственно стерилизации за минимальное время, на процесс накладываются ограничения. Во-первых, продукт при повышении температуры стерилизации будет прогреваться интенсивнее, но и быстрее будет терять полезные вещества (разрушение витаминов и др. ценных веществ). Температура стерилизационной камеры не должна превышать значения максимальной температуры стерилизации для определенного вида консервов при традиционном способе стерилизации. Во-вторых, продукт будет по органолепгическим показателям тем лучше, чем меньшее избыточное тепловое воздействие оказывается на него в ходе про-

цесса стерилизации. Исходя из этого, температура продукта не должна превышать значения утвержденного традиционного способа стерилизации.

Регулирование температуры в стерилизационной камере автоклава осуществляется так же, как и при традиционном способе стерилизации (блок 3). Расчет текущего значения температуры продукта осуществляется для наименее прогреваемой области банки T*np(t) (блок 4) на основании модели продукта. Расчет фактической летальности осуществляется по формуле (1) в блоке 5.

В третьей главе представлены результаты экспериментов и их анализ. В частности, приведены данные исследований теплопередачи в банке Impress, температурного поля стерилизационной камеры АВК-ЗОМ, теплофизические исследования консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress.

Исследование наименее прогреваемой области банки Impress проводилось тремя способами. Математическое описание геометрических особенностей банки позволило определить смещение наименее прогреваемой области (0,0008 м). Определение смещения было получено также с помощью решения уравнения теплопроводности параболического типа: 5Т

С-р— = div(X ■ gradT) + qv, (2)

от

где с - удельная теплоемкость вещества Дж/(кг-К); р - плотность вещества, кг/м3; X - теплопроводность вещества, Вт/(м-К); Т - температура, К; т - время, с;

qv - объемная плотность мощности сторонних источников тепла, Вт/м\ Моделирование теплопередачи в банке Impress с продуктом, проведенное в математическом пакете MatLab, показало смещение наименее прогреваемой области на 0,0007 м.

Экспериментальные данные, полученные с помощью комплекса Ellab на трех уровнях (+1; 0; -1) в банке Impress с однородным продуктом, позволили определить зависимость постоянной времени прогрева от координаты z (высоты банки):

T(z) = 405 - 256,25 • z2. (3)

Полученная зависимость (3) имеет вид параболы, с вершиной в центре плана эксперимента, то есть на высоте 0,0291 мм от дна банки. Половина высоты банки составляет 0,028 м. Таким образом, экспериментально определено смещение наименее прогреваемой области банки Impress вверх, относительно половины ее высоты.

Исследование теплопередачи в банке Impress подтвердило гипотезу о смещении вверх наименее прогреваемой области банки относительно половины высоты. Среднее значение смещения составило 0,0008610,00003 м, что является незначительной величиной для данной банки. Следовательно, эксперименты по получению математической модели консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress возможно проводить на половине ее высоты.

Стерилизационная камера автоклава АВК-30М - сосуд объемом 0,03 м3. В связи с относительно небольшим объемом стерилизационной камеры, а также наличием теплообмена камеры с парогенератором через стенку, была выдвинута гипотеза о равномерности температурного поля в стерилизационной камере автоклава АВК-30М при стерилизации в водной среде. Эксперимент подтвердил выдвинутую гипотезу.

Определение режима стерилизации, а также расчет фактического стерилизующего эффекта консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress проводилась для автоклава Ascamat 230 в производственных помещениях ПКЦ "Кильдин" ОАО "МТФ", а также для автоклава АВК-ЗОМ в лаборатории современных технологий производства продуктов из гидробио-нтов (СТППГ) МГТУ.

Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что режим стерилизации для автоклава АВК-ЗОМ эквивалентен по Рср-эффекгу режиму для автоклава Ascamat 230, проходящему процедуру утверждения. При этом, значение фактического стерилизующего эффекта на 1,2 усл. мин. (20 %) больше требуемого значения (Frz = 5,5 усл. мин.).

Таблица 1

Результаты экспериментов по определению формулы стерилизации и расчету F-эффекта консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress

Название автоклава Формула стерилизации Результаты расчета F-эффекта

1'ткгпЛ FaKcn.2 Рэксп.3 Рэксп.4 Ftp

Ascamat 230 40-50-20 115 6,62 7,51 6,00 5,78 7,77 6,7

АВК-ЗОМ 15-58.33-20 115 6,44 6,14 7,22 6,92 6,38 6,65

Полученные данные экспериментов по определению формулы стерилизации для различных автоклавов позволили в дальнейшем получить матема-

тическое описание консервов "Печень трески натуральная", и на его основе оптимизировать процесс стерилизации.

В четвертой главе описаны результаты исследований по идентификации параметров объектов (стерилизационная камера АВК-ЗОМ, консервы "Печень трески натуральная" в банке Impress), а также результаты моделирования и экспериментов традиционного и модернизированного способов стерилизации.

Идентификация параметров модели продукта (консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress) проводилась для автоклавов Ascamat 230 и АВК-ЗОМ, в соответствии с результатами исследований по определению наименее прогреваемой области банки Impress с помощью комплекса Ellab и программы Modeller, разработанной автором (при участии канд. техн. наук Власова A.B., МГТУ).

Результаты идентификации параметров модели консервов "Печень трески натуральная", стерилизационной камеры автоклава АВК-ЗОМ на этапах нагрева и собственно стерилизации, а также парогенератора АВК-ЗОМ представлены в виде передаточных функций Wnp0B(p), WCTlt. (р), Wnr.(p) на рис. 3,рис. 4 ирис. 5.

Максимальная относительная погрешность аппроксимации не превышает 5%. Следовательно, полученные в результате идентификации математические модели адекватны и могут быть использованы при моделировании процесса стерилизации в водной среде консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress для автоклава АВК-ЗОМ.

Модель процесса стерилизации на этапах нагрева и собственно стерилизации представлена в виде структурной схемы автоматического управления (рис. 3 и рис. 4).

Структурная схема контура регулирования температуры в автоклаве АВК-ЗОМ на этапе нагрева (рис. 3) состоит из контура регулирования температуры парогенератора Тпг (блок 7) и контура регулирования температуры стерилизационной камеры Тст1с.

Рис. 3. Структурная схема контура регулирования температуры в АВК-ЗОМ. Этап нагрева.

Рис. 4. Структурная схема контура регулирования температуры в АВК-ЗОМ. Этап собственно стерилизации.

На этапе собственно стерилизации (рис. 4) контур регулирования температуры парогенератора является подчиненным для контура регулирования температуры стерилизационной камеры в связи с тем, что на этом этапе требуются меньшие энергозатраты, чем на этапе нагрева. Теплоприток осуществляется через стенку от парогенератора к стерилизационной камере и приводит к компенсации тепловых потерь АВК-ЗОМ в окружающую среду.

Коэффициенты регуляторов температуры на этапах нагрева и собственно стерилизации оптимизированы по критерию минимальных затрат на управление с помощью программного обеспечения 1^_8оз1, разработанного сотрудниками кафедры А и ВТ МГТУ.

Моделирование традиционного процесса стерилизации проведено в среде МаНаЬ для формулы стерилизации, приведенной в таблице 1 для автоклава АВК-ЗОМ.

Эксперимент, проведенный по традиционному способу стерилизации, показал, что среднее значение фактического стерилизующего эффекта ЬзКСП по пяти автоклавоваркам (6,65 усл. мин.) незначительно отличается от заданного (6,7 усл. мин.). Модель адекватно отражает поведение процесса стерилизации.

Модель модернизированного процесса стерилизации получена на основе математического описания традиционного процесса. Структурная схема представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема контура регулирования температуры в АВК-ЗОМ. Модернизированный способ стерилизации. (Блок регулирования Тстк на этапе нагрева имеет вид, представленный на рис. 3; на этапе собственно стерилизации-на рис. 4)

Блок 2 структурной схемы содержит оптимальную формулу стерилизации (о.ф.с.). На процесс управления модернизированным способом стерилизации накладываются два ограничения. Первое связано с тем, что консервы "Печень трески натуральная" стерилизуют традиционным способом при максимальной температуре 120 °С, температура стерилизационной камеры не должна превышать это значение. Во-вторых, температура продукта не должна превышать 115 °С (как и при традиционном способе стерилизации (таблица 1)).

Формула стерилизации оптимизирована по критерию минимальных затрат на управление процессом с учетом ограничений. Критерий оптимальности имеет следующий вид:

= {(бМ^т + ^-а^-Г^Г+ ->тт, (5)

о

где К1, К2 - весовые коэффициенты;

пит- показатели степени при штрафных величинах;

Ьзад - заданное значение фактической летальности, усл. мин.;

Ько„ - значение фактической летальности по окончании процесса, усл. мин.;

1прод макс. - максимальное значение температуры продукта, °С;

С)(т) - энергозатраты на этапах А, В, Б (рис. 6):

е(*)=е,+е,+&; (6)

ел*) = <Т, - Т„) + ^ • та ■ Л • (Тст - Т.) + вг-сг ■ (ТК_А - Т„_АУ, (7) б, (т) = Сг ■ с2 ■ (ТкВ- Т„_в ) + Р-1в-Х-(Тш-Т.У, (8)

ев(т) = /;,-тв.Х-(7'£Я-Г.); (9)

где в] - масса тела (воды), кг;

С1 - теплоемкость тела (воды), Дж/(кг-К);

Тн и Тк - начальная и конечная температуры в процессе нагрева соответственно, К;

С2 - масса тела (консервы), кг;

с2 - теплоемкость тела (консервы), Дж/(кг-К);

Т„ А; Тк А; Тн В; Тк В — начальная и конечная температуры консервов в процессе нагрева соответственно, К;

Р - площадь поверхности аппарата, м2;

т - время рассматриваемого участка, с;

Тсг - температура стенки, К;

Тв - температура воздуха в помещении, К;

X - суммарный коэффициент теплопроводности при температуре стенки, Вт/(м2-К).

(2(т) включает в себя три составляющих (6) - энергозатраты на этапах Оа, (^в и Стерилизация на этапе С происходит при естественном охлаждении автоклава.

На этапе А осуществляется прогрев воды до температуры стерилизации ТСТК1. В зависимости от этой температуры энергозатраты на нагрев воды будут разными, следовательно, этот параметр необходимо оптимизировать. Также на этапе А происходят затраты энергии на нагрев консервов и компенсация потерь в окружающую среду (7).

Рис. 6. Модернизированный способ стерилизации. Технологический режим.

На этапах В и Б необходимо поддерживать температуры стерилизации ТСТК] и Тстк2, то есть компенсировать теплоотдачу автоклава в окружающую среду и обеспечивать нагрев консервов (8). На этапе Б энергозатраты на нагрев консервов незначительны и не учитываются в критерии 1о ф с (9). Продолжительности этапов В и Б являются оптимизируемыми параметрами.

Второе и третье слагаемое - штрафные величины ,10фС, отвечающие за выполнение ограничения на модернизированный процесс стерилизации по максимальному значению температуры продукта (115 °С) и заданному значению фактического стерилизующего эффекта 1^зад (6,7 усл. мин.).

Оптимизацию проводили методом покоординатного спуска в программе Мос1егп_Ор1т1, разработанной автором. Результаты оптимизации приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты оптимизации формулы стерилизации для консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress для автоклава

АВК-ЗОМ

Оптимизируемый параметр Результат оптимизации

Значение

Температура в стерилизационной камере Тстк^О 119,9

Продолжительность этапа В, мин. 9,1

Продолжительность этапа Р, мин. 16,5

Моделирование и эксперимент, проведенный по модернизированному способу стерилизации, показал, что математическая модель адекватно отражает поведение процесса стерилизации (рис. 7). Среднее значение (по пяти ав-токлавоваркам) фактического стерилизующего эффекта эквивалентно заданному (6,7 усл.мин.).

Рис. 7. Результаты моделирования и экспериментов оптимального модернизированного

способа стерилизации.

Сравнение способов стерилизации показывает, что модернизированный способ является более эффективным с точки зрения энергозатрат и времени процесса (рис. 8).

Потребляемая электроэнергия меньше на 20 %, продолжительность модернизированного способа стерилизации короче на 8,9 %. Это позволяет повысить коэффициент использования стерилизационной установки и уменьшить энергозатраты на выработку партии консервной продукции.

Рис. 8. Результаты моделирования традиционного и модернизированного способов стерилизации

Уровень качества готовой продукции представлен в таблице 3 и в виде профилограммы на рис. 9.

Таблица 3

Результаты производственных испытаний опытных образцов готовой

продукции

Показатель Среднее значение, % (баллы)

Традиционный Модернизированный

Уровень качества, % (Б) 72 (14,3) 83(16,5)

Качество жира

Цвет печени

Запах

Консистенция

Состояние продукта

-Традиционный —и—Модернизированный |

Рис. 9. Профилограммы органолептических показателей опытных образцов консервов "Печень трески натуральная"

Результаты исследований готовой продукции на промышленную стерильность приведены в таблице 4.

Таблица 4

Результаты испытаний опытных образцов готовой продукции на промышленную стерильность

№ п/п Наименование показателя, единица измерений НД на метод определения Значение показателя по НД Результат испытаний

1 Спорообразукнцие мезофильные аэробные и факультативно-анаэробные микроорганизмы группы В.зиЫШз, в 1г ГОСТ 30425-97 не более 11 клеток не обнаружены

2 Спорообразуюхцие мезофильные аэробные и факультативно-анаэробные микроорганизмы труппы В.сегеиэ и В.ро1утуха ГОСТ 30425-97 не допускаются не обнаружены

Окончание табл. 4

№ п/п Наименование показателя, единица измерений НД на метод определения Значение показателя поНД Результат испытаний

3 Мезофильные клостридии С.ЬошНпит и С.рег£ги^еп5 ГОСТ 30425-97 не допускаются не обнаружены

4 Мезофильные клостридии, в 1т ГОСТ 30425-97 не более 1 клетки не обнаружены

5 Спорообразуклцие термофильные анаэробные, аэробные и факультативно-анаэробные микроорганизмы ГОСТ 30425-97 не допускаются не обнаружены

По микробиологическим показателям консервы "Печень трески натуральная" соответствуют СанПиН 2.3.2.1078-00.

По органолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям консервы, изготовленные по модернизированному способу, не уступают традиционно изготовленным и соответствуют требованиям ГОСТ 13272-2009.

В пятой главе описана практическая реализация результатов исследований, а именно оптимальная микропроцессорная система управления сгерилизационной установкой АВК-30М "МиСТ.Оптим", построенная на базе модулей "ОВЕН" (рис. 10). Для измерения параметров технологического процесса в системе управления предусмотрены датчики температуры (в сгерилизационной камере, парогенераторе, экономайзере) и давления (в сгерилизационной камере, парогенераторе, экономайзере). Управление установкой

осуществляется программируемым логическим контроллером ПЛК-154 при помощи электромагнитных клапанов и ТЭН (посредством блока управления симисторами БУСТ). Для оцифровки аналоговых сигналов датчиков используется модуль ввода аналоговый МВА-8 "ОВЕН" и аналоговые входы ПЖ-154 "ОВЕН". Для управления клапанами используется модуль дискретного ввода-вывода МДВВ "ОВЕН" и собственные дискретные выходы ПЖ-154. В состав комплекса МиСТ.Оптим интегрированы сенсорная панель оператора СП270 и архиватор ОВЕН МСД, что делает стерилизаци-онную установку более удобной для оператора.

Описано программное обеспечение оптимальной системы управления, разработанное в вСДРА-системе 38 СоОевуз версии 2.3 на языках стандарта МЭК 61131-3.

О высокой надежности системы управления говорит ее безотказное функционирование в течение трёх лет в лаборатории СТППГ кафедры ТПП МГТУ, в опытно-промышленных условиях эксплуатации.

МСД-100

А1:12 АО:4 131:12 00:12

тт

от к клапанам (10) I датчиков (6) [сйй^Д

И

¥

от сигнализаторов (8)

к контактеру (1)

I» I* Ь I* [л |л I» I* |л !# I» I» |л |л I*

1 1 * * о о а л о V Рэко [ 8 СО | 1 X о I ш £ и 1 1 £ I с О О 5 а г 6 1 ! ? 1

£ X 4 г £ X £ т X ¿2 £ ¿2 !г £ £ 3 ш го

Сигн. Исп. Мех. Датч. Сигн. Исп. Мех. Датч. Сиги. Исп. Механизмы Датч. Воздуш. ш

Экономайзер Парогенератор Стерилизационная камера компр.

Стерилизационная установка АВК-ЗОМ

Рис 10. Структура аппаратного обеспечения, интегрированного в систему управления стерилизационной установкой АВК-ЗОМ (МИСт.Оптим)

Технико-экономическими расчетами новой разработки установлены ожидаемый годовой экономический эффект, равный 23674 руб. и срок окупаемости от внедрения предлагаемого способа стерилизации для промышленного автоклава СР-2К, составивший 1 год.

ВЫВОДЫ

1. Разработан и исследован модернизированный способ стерилизации, основанный на вычислении фактического стерилизующего эффекта и использовании его в качестве регулируемого параметра в системе автоматического управления процессом стерилизации.

2. Разработаны режимы стерилизации в водной среде консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress для автоклавов Askamat 230 и АВК-30М.

3. Получены аппроксимирующие математические модели стерилиза-ционной камеры, консервов "Печень трески натуральная" при стерилизации в банке Impress в водной среде.

4. Научно обосновано и экспериментально подтверждено, что использование модернизированного способа стерилизации консервов позволяет уменьшить энергозатраты и сократить продолжительность стерилизации.

5. Спроектирована и реализована оптимальная система автоматического управления процессом стерилизации на базе современных микропроцессорных средств, реализующая модернизированный способ стерилизации.

6. Изготовлена и исследована на промышленную стерильность опытная партия консервов "Печень трески натуральная" в новой металлической банке Impress конической формы. Патогенной микрофлоры в готовой продукции не обнаружено.

7. Установлено, что консервы, изготовленные по модернизированному способу, не уступают по органолептическим показателям традиционно изготовленным консервам.

8. Разработана техническая документация на изготовление и стерилизацию в водной среде модернизированным способом консервов "Печень трески натуральная" в банке Impress.

Основные положения диссертационной работы опубликованы

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

1. Маслов А. А. Исследование динамики теплообмена в стерилизацион-ной камере автоклава / А. А. Маслов, А. В. Власов, А. В. Кайченов, // Рыб. хоз-во. - 2009. - № 6. - С. 77-79.

2. Совершенствование способа стерилизации консервов из гидробио-нтов / А. В. Кайченов, В. А. Гроховский, А. А. Маслов, и др. // Рыб. хоз-во. -2011.-№3.-С.112-113.

В прочих изданиях.

3. Власов А. В. Оптимизация процесса стерилизации паром в автоклавах периодического действия / А. В. Власов, А. В. Кайченов ; Мурм. гос. техн. ун-т. - Мурманск, 2008. - 6 е., ил. - Библиогр.: 3 назв. - Деп. в ВИНИТИ 10.11.2008, № 867-В2008.

4. Власов, А. В. Пути повышения эффективности процесса стерилизации в автоклавах периодического действия / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Наука и образование - 2009 [Электронный ресурс]: между-нар. науч.-техн. конф., Мурманск, 1-9 апреля 2009 г. / МГТУ. - Электрон, текст, дан. (181 Мб). - Мурманск : МГТУ, 2009. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - С. 373-376. - Гос. per. НТЦ "Информрегистр" № 0320900170 от 25.05.09.

5. Власов, А. В. Разработка системы контроля и управления процессом стерилизации консервов в автоклавах периодического действия / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Молодежь и современные информационные технологии : сб. тр. VII Всерос. науч.-практ. конф. студ., аспирантов и молодых ученых / ТПУ. - Томск, 2009. - С. 42-43.

6. Гроховский, В. А. Исследование теплообмена в консервной банке конической формы / А. В. Кайченов, В. А. Гроховский // Науков! здобутки молод! у виршент актуальних проблем виробництва та переробки сиро-вини, стандартизацп i безпеки про довольства зб!рник тез. д о п о в i д е й за шдсумками М1жнар. науково-практ. конф. молодих вчених, acnipaHTÍB i студент1в / НУБ1П Укра'ши. -Кшв, 2011, - С. 214-216.

7. Гроховский, В. А. Модернизированный способ стерилизации консервной продукции / А. В. Кайченов, В. А. Гроховский, А. А. Маслов // Наука и образование - 2011 [Электронный ресурс] : междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 4-8 апреля 2011 г. / МГТУ. - Электрон, текст, дан. (43 Мб). - Мурманск : МГТУ, 2011.-(НТЦ "Информрегистр". - № гос. регистрации 0321100504,- С. 870-874.

8. Получение математической модели температурного поля в стерили-зационной камере автоклава на основании результатов активного эксперимента / Ю. Т. Глазунов, А. М. Ершов, А. В. Кайченов и др. // Техника и технологии переработки гидробионтов и сельскохозяйственного сырья : материалы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти проф. Н. Н. Рулева, Мурманск, 24-25 апреля 2008 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. - Мурманск, 2008. - С. 18-21.

9. Совершенствование стерилизационной установки на базе модернизированного медицинского стерилизатора ВК-30 / А. В. Власов, А. Р. Власова,

А. В. Кайченов и др. // Вестник МГТУ : труды Мурман. гос. техн. ун-та. -Мурманск, 2009. - Т. 12, № 2. - С. 263-268.

10. Стершшзационная установка : пат. 94418 Рос. Федерация : МПК7 А 23 L 3/00, А 23 L 3/10 / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов ; патентообладатель ФГОУ ВПО Мурманский гос. техн. ун-т. - № 2010105537/22 ; заявл. 16.02.2010 ; опубл. 27.05.2010. - С.1-2 .

11. MISt.Reader_OWEN. (МИСт.Преобразование отчетов ОВЕН) : сввд-во об офиц. per. прог. для ЭВМ 2008614098 Рос. Федерация / Власов А. В., Кайченов А. В., Маслов А. А.; правообладатель ФГОУ ВПО Мурманский гос. техн. ун-т. - № 2008612909; поступ. 27.06.2008 ; зарег. 27.08.2008.

Издательство МГТУ. 183010 Мурманск, Спортивная, 13. Сдано в набор 26.09.2011. Подписано в печать 29.09.2011. Формат 60x84'/16. Бум. типографская. Усл. печ. л. 1,28. Уч.-изд. л. 0,96. Заказ 360. Тираж 120 экз.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТРАДИЦИОННЫХ СПОСОБОВ СТЕРИЛИЗАЦИИ КОНСЕРВОВ.

1.1 Современное состояние отечественного рыбоконсервного производства.

1.2 Основные сведения о технологическом процессе стерилизации консервов.

1.2.1 Способы стерилизации.

1.2.2 Требуемая (нормативная) летальность.

1.2.3 Фактический стерилизующий эффект.

1.2.4 Режимы стерилизации.

1.3 Технологический процесс стерилизации консервов в водной среде

1.4 АналиЗг процесса регулирования* температуры при» традиционном способе стерилизации консервов.

1.6 Критический анализ результатов обзора литературы.

1.7Постановка цели и задачи исследования.

2 ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1 Программно-целевая модель исследований.

2.2 Объекты исследования:.

2.2.1 Консервы из печени гидробионтов.

2.2.1.1 Режимы стерилизации консервов из печени рыб.

2.212 Новый вид тары при стерилизации консервов - банка Impress. i 2.2.3 Стерилизационная установка АВК-ЗОМ.

2.2.3.1 Особенности управления стерилизационной установкой.

2.2.3.2 Концептуальная модель теплообмена в стерилизационной установке АВК-ЗОМ при стерилизации в водной среде.

2.2.3.3 Стерилизационная камера автоклава АВК-ЗОМ при стерилизации в воде.

2.3 Методы исследования.

2.3.1 Методы исследования сырья и стерилизованных консервов.

2.3.1.1 Методы исследования сырья.

2.3.1.2 Методы исследования качества стерилизованных консервов.

2.3.1.2.1 Органолетпическая оценка качества консервов с использованием метода балльных ткал.

2.3.1.2.2 Сравнительная оценка качества консервов с использованием профильного метода.

2.3.2 Методы исследования объектов систем автоматического регулирования.

2.3.2.1 Методы исследования объектов с распределенными параметрами.

2.3.2.2 Итерационные методы оптимизации.

2.3.2.3 Численный метод решения дифференциальных уравнений.

2.4 Условия и организация экспериментов.

2.4.1 Определение наименее прогреваемой области банки Impress.

2.4.3 Получение переходных характеристик температуры стерилизацио}шой камеры автоклава АВК-30.

2.4.4 Экспериментальное подтверждение гипотезы о равномерности температурного поля в автоклаве АВК-ЗОМ при стерилизации в водной среде при нагреве и охлаждении.

2.5 Выбор аппаратного и программного обеспечения для проведения экспериментов.

2.6 Выбор направления модернизации способов стерилизации консервов.

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1 Результаты исследования химического состава печеночного сырья.

3.2 Исследование наименее прогреваемой области банки Impress.

3.2.1 Определение положения нагшенее прогреваемой области в банки Impress.

3.2.2 Аппроксимация переходных характеристик температуры в банке.

3.3 Проверка гипотезы о равномерности температурного поля в автоклаве АВК-ЗОМ при стерилизации в водной-среде при нагреве и охлаждении.

3.4 Идентификация параметров модели стерилизационнош камеры автоклава АВК-ЗОМ<.:.

3.5 Разработка режима стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress, изготовленных традиционным способом.

3.6 Идентификация параметров математической модели консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРАДИЦИОННОГО И

МОДЕРНИЗИРОВАННОГО СПОСОБОВ СТЕРИЛИЗАЦИИ.

4.1 Исследование традиционного способа стерилизации.

4.1.1 Моделирование традиционного способа стерилизации.

4.1.2 Получение оптимальных настроек регуляторов.

4.1.3 Описание контура регулирования давления в системе автоматического управления стерилизационной установкой АВК-ЗОМ.

4.1.4 Результаты моделирования и эксперимента традиционного способа стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress в автоклаве АВК-ЗОМ.

4.2 Исследование модернизированного способа стерилизации.

4.2.1 Разработка и реализация модернизированного способа стерилизации консервов.

4.2.2 Моделирование и результаты экспериментов модернизированного способа водной стерилизации консервов

Печень трески натуральная» в банке Impress в автоклаве АВК-ЗОМ.

4.2.3 Результаты сравнительных исследований модернизированного и традиционного способов водной стерилизации консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress в автоклаве АВК-ЗОМ.

4.3 Сопоставление модернизированного и традиционного способов стерилизации.

4.4 Результаты исследований опытных образцов консервов «Печень трески натуральная».

4.4.1 Определение показателей качества опытных образцов готовой продукции консервов «Печень трески натуральная».

4.4.2 Результаты исследований опытных образцов консервов «Печень трески натуральная» на промыишенную стерильность.

5 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1 Разработка оптимальной микропроцессорной системы управления стерилизационной установкой АВК-ЗОМ.

5.2 Описание программной, части системы управления стерилизационной установки АВК-ЗОМ.

5.3 Испытания стерилизационной установки АВК-ЗОМ в лаборатории СТППГ МГТУ при стерилизации консервов модернизированным способом.

Обеспечение населения качественными и безопасными продуктами из гидробионтов является стратегической задачей рыбной отрасли России, что нашло свое подтверждение в принятой Концепции развития рыбного хозяйства на период до 2020 года [2].

В условиях рыночной экономики требования к качеству, производству и реализации рыбной продукции ориентированы на запросы потребителей. Удовлетворение потребителей возможно при условии систематического обновления ассортимента продукции из гидробионтов и улучшения ее потребительских свойств. Одним из таких наиболее популярных продуктов в нашей стране являются стерилизованные консервы, а ключевым процессом, определяющим их безопасность и качество, является стерилизация.

Большой вклад в разработку теоретических и практических основ технологии стерилизованных консервов внесли такие учёные, как Б.Л. Флауменбаум, В.П. Бабарин, С.А. Артюхова, Л.Т. Серпунина, З.П. Швидкая, В. Бигеллоу, Ч. Болл, Ч. Стамбо и другие.

Поскольку ассортимент выпускаемых консервов в условиях жёсткой 4 рыночной конкуренции, постоянно расширяется, а к безопасности и качеству продуктов предъявляются всё более высокие требования, совершенствование технологии стерилизованной продукции не теряет своей актуальности.

Создание новых видов консервов, применение новых видов консервной тары требуют разработки научно обоснованных формул стерилизации, утверждаемых затем в установленном порядке.

Существующие методики установления и применения формул стерилизации в России не меняются уже десятилетия и основаны на использовании двух параметров — температуры и продолжительности воздействия на продукт стерилизационной среды (пара, воды, I паровоздушной смеси). Эти параметры, в конечном итоге, определяют уровень фактического стерилизующего эффекта (Б — эффекта), который в результате проведения процесса должен превысить нормативный. Анализ действующих (утверждённых) режимов стерилизации для различных видов консервов свидетельствует о том, что в ряде случаев установленные температурно-временные режимы стерилизации приводят к значительному превышению нормативного стерилизующего эффекта. Причинами являются большое количество привходящих факторов (начальная температура продукта, его химический состав, плотность закладки сырья и ингредиентов, температура окружающей среды и др.), которые существенно влияют на результирующую этого важного процесса. Следовательно, необходимо изыскать новые подходы к повышению эффективности стерилизации, при обеспечении безопасности готового продукта.

Поскольку главным критерием, обеспечивающим безопасность и кулинарную готовность консервов, является нормативный стерилизующий I эффект (усл. мин.), следовательно, одним из путей решения, данной проблемы является непосредственное регулирование и контроль процесса стерилизации по данному показателю. До сих пор использование данного решения сдерживались по различным причинам. В настоящее время, благодаря- появлению средств высокоточного измерения температуры в центре банки, доступных средств автоматизации на базе микропроцессорной техники, стало возможным заканчивать процесс стерилизации именно тогда, когда достигнута требуемая летальность.

Разработка режима стерилизации зачастую требует использования значительных энергетических, материальных и временных ресурсов. Трудоёмкость его разработки обусловлена проведением большого количества автоклавоварок, необходимых для получения и утверждения режимов стерилизации. Очевидно^ что упрощение процедуры разработки возможно при использовании метода температурного моделирования. При этом, для получения модели процесса, представляющей совокупность температурных моделей стерилизатора и продукта, можно значительно сократить количество необходимых автоклавоварок.

Моделирование процесса позволит повысить эффективность стерилизационных установок, сократить расход ресурсов на процесс стерилизации, повысить конкурентоспособность выпускаемой продукции,, уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду.

Использование адекватных моделей позволит получить оптимальный температурно-временной режим стерилизации, точно обеспечивающий требуемую летальность. Предлагаемый способ стерилизации; отличается от традиционного' современным подходом к технологии стерилизованных консервов,1 и в связшсэтим получил название «модернизированный».

Таким образом- разработка и исследование модернизированного способа' стерилизации консервов из гидробионтов, позволяющего; упростить разработку режимов стерилизации и сократить продолжительность процесса стерилизации, предопределяют актуальность данной работы.

Научная-новизна работы. : /

Научно обоснован и разработан модернизированный . способ стерилизации (по фактическому стерилизующему эффекту).

Предложены аппроксимирующие температурные; модели; продукта (консервы «Печень трески натуральная) и автоклава АВК-ЗОМ при стерилизации в водной среде.

Впервые разработана оптимальная; автоматическая;система управления процессом стерилизации консервов по модернизированному способу.

Практическая значимость работы.

Разработана ж запатентована, стерилизационная установка (Патент РФ на полезную модель № 94418 от 27.05. 2010 г.) ,

Получено Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2008614098 Рос. Федерация «МШ.Яеас^СЖЕЫ. (МИСт. Преобразование отчетов ОВЕН)».

Разработана техническая документация на стерилизацию в воде модернизированным способом консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress.

Подана заявка на патент РФ на изобретение "Способ управления процессом стерилизации консервов, основанный на F-эффекте" № 2011124095 от 14.06. 2011 г.

Результаты научных исследований будут использованы для промышленного выпуска консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress в пресервно - консервном цехе «Кильдин» ОАО «Мурманский траловый флот» и ООО «Роскон» (Калининградская обл.), а также в учебном процессе подготовки инженеров по специальностям 260302.65 «Технология рыбы и рыбных продуктов», 260602.65 «Пищевая инженерия малых предприятий», 220301.65 «Автоматизация технологических процессов и производств», бакалавров и магистров по направлениям 260200.62 «Продукты питания животного происхождения», 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств» (приложение 18).

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается проработкой моделей исследуемых процессов, корректным применением методов аппроксимации, идентификации и теории оптимального управления, использованием апробированных расчетных методик, согласованием данных расчетов и экспериментов.

Внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в виде стерилизационной установки АВК-ЗОМ в учебно-экспериментальный цех (УЭЦ) кафедры "Технологии пищевых производств" (ТПП) ФГБОУВПО «Мурманский государственный технический университет» (МГТУ) (приложение 17).

В диссертации защищаются:

• математические температурные модели продукта (консервы «Печень трески натуральная») и автоклава АВК-ЗОМ при стерилизации в водной среде;

• модернизированный способ стерилизации консервов, основанный на вычислении фактического стерилизующего эффекта и использовании его в качестве основного регулируемого параметра;

• оптимальная микропроцессорная система автоматического управления процессом стерилизации;

• результаты исследований готовой продукции на промышленную стерильность;

• показатели качества готовой продукции.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск, 2009, 2011); VII всероссийском научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и современные информационные технологии" (Томск, 2009); международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора Н. Н. Рулева "Техника и технологии переработки гидробионтов и сельскохозяйственного сырья" (Мурманск, 2008); X Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2010, золотая медаль), Международной научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов, «Наукові здобутки молоді у вирішенні актуальних проблем виробництва та переробки сировини, стандартизації і безпеки продовольства» (Украина, Киев, 2011)

Экспериментальная часть работы выполнена в Мурманском государственном техническом университете в рамках научно-исследовательской работы по госбюджетным темам «Комплексная модернизация систем контроля и управления процессами стерилизации и копчения» (ГР № 01200900799) и «Разработка и совершенствование технологий стерилизованных пищевых продуктов» (ГР № 01200603804).

Диссертация обсуждена на расширенном заседании кафедры автоматики и вычислительной техники ФГБОУ ВПО МГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получены авторское свидетельство на программу для ЭВМ и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (116 наименований) и 19 приложений. Работа изложена на 191 странице, содержит 58 рисунков и 36 таблиц. В приложениях представлены алгоритмы, расчеты, программы и акты испытаний, акт внедрения, выписка из протокола дегустационного совета, технологические инструкции.

ВЫВОДЫ

1. Разработан и исследован модернизированный способ стерилизации, основанный на вычислении фактического , стерилизующего эффекта и использовании его в качестве регулируемого параметра в системе автоматического управления процессом стерилизации.

2. Разработаны режимы стерилизации в воде консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress для автоклавов Askamat 230 и АВК-ЗОМ. г

3. Получены и предложены аппроксимирующие математические модели стерилизационной камеры, парогенератора автоклава АВК-30, консервов «Печень трески натуральная» при стерилизации в банке Impress в водной среде.

4. Научно обосновано и экспериментально подтверждено, что использование модернизированного способа стерилизации консервов позволяет уменьшить энергозатраты и сократить продолжительность процесса стерилизации.

5. Спроектирована и реализована оптимальная , система автоматического управления процессом стерилизации на базе современных* микропроцессорных средств, реализующая модернизированный способ стерилизации.

6. Изготовлена и исследована на промышленную стерильность опытная партия консервов «Печень трески натуральная» в новой металлической банке Impress конической формы. Патогенной микрофлоры в готовой продукции не обнаружено.

7. Установлено, что консервы, изготовленные по модернизированному способу не уступают по органолептическим показателям традиционно изготовленным консервам.

8. Разработана техническая документация на изготовление и стерилизацию в воде модернизированным способом консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ i

В настоящей работе разработан и исследован модернизированный способ стерилизации продуктов из гидробионтов. Модернизация подразумевает не только использование современных средств автоматизации, но и современный подход к технологии стерилизованных консервов. Осуществлена успешная попытка использовать для управления стерилизацией консервов основной параметр,'отвечающий за безопасность готового продукта и его кулинарную готовность, F-эффект.

Главным результатом реализации модернизированного способа стерилизации консервов из гидробионтов является то, что снижаются энергозатраты на процесс, а также его продолжительность за счет оптимизации на всех этапах, как при разработке режима, так и при проведении автоклавоварки. Создана предпосылка для разработки энергоэффективных режимов стерилизации.

На данном этапе модернизированный способ стерилизации реализован с учетом технологических ограничений и с запасом по F-эффекту. Моделирование разработанного способа стерилизации за пределами ограничений, безусловно, приведет к еще большему повышению эффективности и, практически, не повлечёт потерь в качестве готовой продукции. Для этого необходимо более тщательное исследование влияния высоких температур на конкретный продукт, а также применение послойного расчета фактической летальности в банке (метод

Стамбо). Микробиологические исследования продукции, изготовленной с применением модернизированного способа стерилизации, будут способствовать реализации автоматической системы регулирования с жестко заданным значением нормативного стерилизующего эффекта.

На основе предложенного способа стерилизации возможно получение адаптивной системы автоматического управления, позволяющей самостоятельно производить идентификацию стерилизуемого продукта и осуществлять качественное и эффективное регулирование по фактическому стерилизующему i 1 эффекту.

1. Постановление об установлении тарифов на электрическую энергию : № 45/6 от 23.12.2009 г. // Управление по тарифному регулированию Мурманской области. Режим доступа: http://utrmo.ru/Postelectro2009.html. — Загл. с экрана.

2. Автоклав для стерилизации консервов : а. с. 13594 Рос. Федерация : МПК 7 А 23 Ь 3/00 / Серажутдинов А. О. ; заявитель и патентообладатель АОЗТ НИИ пищевых технологий и оборудования «Консервпродукт». № 99116649/20 ; заявл. 16.07.1999 ; опубл. 10.05.2000.

3. Аппарат для ротационной стерилизации консервов : пат. 2342052 Рос. Федерация : МПК 7 А 23 Ь 3/04 (2006.01) / Ахмедов М. Э., Исмаилов Т. А. ; патентообладатель ГОС ВПО Дагестан, гос. техн. ун-т. № 2007120948/13 ; заявл. 04.06.2007 ; опубл. 27.12.2008.

4. Араманович, И. Г. Уравнения математической физики / И. Г. Араманович, В. И. Левин. 2-е изд. - М. : Наука, 1969. - 288 с.

5. Бабарин, В. П. Стерилизация консервов : справочник / В. П.I

6. Бабарин. СПб. : ГИОРД, 2006. - 305, 1. с. — (Современная учебная, техническая и научная литература)

7. Борисочкина, JI. Hi Технология продуктов из океанических рыб / JI. И. Борисочкина, Т. А. Дубровская. М. : Агропромиздат, 1988. — 208 с.

8. Варламов, И: Г. Проблемы создания и эксплуатации эффективных систем управления / И. Г. Варламов, И. Е. Залуцкий, JI. П. Серёжин // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. - №7. - С. 1 -7.

9. Власов, А. В. Оптимизация процесса стерилизации паром в автоклавах периодического действия / А. В. Власов, А. В. Кайченов ; Мурм.-гос. техн. ун-т. Мурманск, 2008. — 6 с. : ил. — Библиогр.: 3 назв. — Деп. в ВИНИТИ 10.11.2008, № 867-В2008.

10. Власов, А. В. Повышение эффективности стерилизацииконсервов паром в автоклавах : автореф. дис. канд. техн. наук : 05.18.12 : 05.13.06 / А. В.'Власов ; Мурман. гос. техн. ун-т. Мурманск, 2010. - 20 с.

11. Волченко, В. И. Совершенствование технологии консервов из печени гидробионтов : автореф. дис. канд. техн. наук : 05.18.04 / В. И. Волченко ; М-во сел. хоз-ва и др.. — Мурманск, 2004. 20 с.

12. Гинзбург, А. С. Теплофизические характеристики пищевых продуктов : справочник / А. С. Гинзбург, М. А. Громов, Г. И. Красовская. 3Iе изд., доп. и перераб. М. : Агропромиздат, 1990. - 287 с.

13. Глазунов, Ю. Т. Моделирование процессов пищевых» производств / Ю. Т. Глазунов, А. М. Ершов, М. А. Ершов. М.: Колос,,2008. - 358 с. -(Учебник).

14. Горизонтальный двухкорзиночный автоклав Электронный ресурс. // Концерн Моринформсистема-Агат. — Режим доступа: http:// www.concern-agat.ru / products / civil-products / 83-concern-agat / 77-avtoklav. — Загл. с экрана.

15. ГОСТ, 13272-2009. Консервы из печени рыб. Технические условия. М.: Стандартинформ, 2011. - 8 с.

16. ГОСТ 30425-97. Консервы. Метод определения промышленной стерильности. Минск : Изд-во стандартов, 1997. - 14 с.

17. ГОСТ 7636-85. Рыба, морские млекопитающие, морские беспозвоночные и продукты их переработки. Методы анализа. М.: Изд-во стандартов, 1985.-87с.I

18. Гроховский, В. А. Традиционные и инновационные технологии продуктов из печени гидробионтов : монография / В. А. Гроховский, В. И. Волченко. Мурманск : МГТУ, 2009. - 68 с.

19. Дьяконов, В. П. Matlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения / В. П. Дьяконов. М. : СОЛОН-Пресс, 2005. - 800 с.

20. Дьяконов, В. П. Применение персональных ЭВМ и программирование на языке Бейсик для непрофессиональных пользователей ПЭВМ / В. П. Дьяконов. М. : Радио и связь, 1989. - 287 с.

21. Зайцев, М. В. Совершенствование процесса тепловой обработки консервированной продукции / М. В. Зайцев // Техника и технология пищ. производств : VI междунар. науч. конф. студ. и аспирантов : тез. докл. : в 2 т. / МГУП. Могилев, 2008. - Т. 1. -С. 63-64.

22. Инструкция по разработке режимов стерилизации консервов из рыбы и морепродуктов : утв. Ком. Рос. Федерации по рыболовству : введ. 1997-01-01. СПб. : Гипрорыбфлот, 1996. - 42 с.

23. Комплекс АСК Электронный ресурс. // ООО «Рыбопромысловые автоматизированные системы». — Режим доступа: http://www.fasltd.ru / New2.htm. -Загл. с экрана.

24. Кринецкий, И. И. Основы научных исследований : учеб. пособиедля вузов по спец. электрон, техника, электроприборостроения и автоматика /i

25. И. И. Кринецкий. Киев ; Одесса : Вища. шк., 1981. — 207 с.

26. Крылова, Т. Н. Современные автоклавы французской фирмы «Стерифлоу» / Т. Н. Крылова, Н. Н. Микулик // Рыбпром : технологии и оборудование для переработки водных биоресурсов. — 2007. — № 4. — С. 3637.

27. Лейкин, В. С. Автоматизация производственных процессов рыбообрабатывающей промышленности / В. С. Лейкин, С. П. Сердобинцев.

28. М. : Агропромиздат, 1989. — 231 с. : ил. (Учебники и учебные пособия дляiучащихся техникумов).

29. Ли, Р. Оптимальные оценки, определение характеристик и управление / Р. Ли. М. : Наука, 1966. - 400 с.

30. Лыков, А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков. М. : Высш. шк., 1967. - 599 с.

31. Льюнг, Л. Идентификация систем. Теория для пользователя / Л. Льюнг ; пер. с англ. А. С. Манделя, А. В. Назина ; под ред. Я. 3. Цыпкина. -М. : Наука, 1991.-432 с.

32. Магергут, В. 3. Выбор промышленных регуляторов и расчет их оптимальных настроек : монография / В. 3. Магергут, Д. П. Вент, И. А. Кацер. Белгород : Изд-во БГТУ, 2009. - 239 с.

33. Маслов, А. А. Адаптивная система управления процессом черпания многочерпакового земснаряда : автореф. дис. канд. техн. наук : 05.13.06/ А. А. Маслов ; Мурман. гос. техн. ун-т. Мурманск, 1988. - 167 с.

34. Маслов, А. А. Исследование динамики теплообмена в стерилизационной камере автоклава / А. А. Маслов, А. В. Власов, А. В. Кайченов // Рыб. хоз-во. 2009. - №6. - С. 77-79.

35. Машины и аппараты пищевых производств : учеб. для вузов. В 2 кн. Кн. 2 / С. Т. Антипов и др. ; под ред. В. А. Панфилова. М. : Высш. шк., 2001. - 680 с. - (Учебник 21 века).

36. Мелса, Д. Идентификация систем управления / Д. Мелса, Э. Сейдж. М. : Наука, 1974. - 400 с.

37. Методика изучения температурного поля греющей среды аппаратов периодического действия для стерилизации консервов : утв. 198301-17. -М. : Мин. рыб. хоз. СССР, 1983. 14 с.I

38. Мокрушин, С. А. Автоматизация вертикальных автоклавов Электронный ресурс. / С. А. Мокрушин // Альфа-Пром Киров. — Режим доступа: http://www.alfa-prom.ru/art4autvertavtoklavov.html. Загл. с экрана.

39. Мощелкова, В. Ю. Новое поколение российской стерилизационной техники / В. Ю. Мощелкова, В. Е. Рязанцев // Техника и технология. 2007. - №3. - С. 40-41.

40. Мукатова, М. Д. Технология стерилизованных консервов : учеб. пособие для спец. 2709 «Технология рыбных продуктов» .В 2 ч. Ч. 1 / М. Д. Мукатова. Мурманск : МГАРФ, 1992. - 163 с.

41. Мукатова, М. Д. Технология стерилизованных консервов : учеб. пособие для спец. 2709 «Технология рыбных продуктов». В 2 ч. Ч. 2 / М. Д. Мукатова. Мурманск : МГАРФ, 1992. - 177 с.

42. Огородникова, О. М. Тепловой анализ в среде А№У8 : учеб. пособие / О. М. Огородникова. Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2004. - 68 с.

43. Паровой стерилизатор ВК-30 : паспорт / Тюмен. завод мед. оборудования и инструментов. — Тюмень : б. и., 1983. 40 с.

44. Перетрухина, А. Т. Микробиология сырья и продуктов водного происхождения / А. Т. Перетрухина, И. В. Перетрухина. — СПб. : ГИОРД, 2005.-318, 1. е.: ил.

45. Получение математической модели температурного поля вполости автоклава / А. В. Власов, В! А. Гроховский, А. М. Ершов и др. //

46. Совершенствование способа; стерилизации консервов из гидробионтов/ А. В; Кайченов; В. А-. Гроховскищ А. А. Маслов и др. //Рыб. хоз-во. 2011. № 3.! - С. 112-113.

47. Совершенствование стерилизационной установки на базе модернизированного медицинского; стерилизатора ВК-30 / А: А. Маслрв, А. В. Власов; А. В: Кайченов и др. // Вестник МГТУ : труды Мурман. гос. техн. ун-та. Мурманск, 2009: - Т. 12, Ж2'. - С. 263-268.

48. Состояние мирового рыболовства и аквакультуры / Департамент рыболовствада аквакультуры ФАО; — Рим : Нродовольст. и с.-х. ООН;1 2010. — 246 с. . ' ,

49. Спиридонов, А. А. Планирование, эксперимента приисследовании технологических процессов / А. А. Спиридонов. М. г• }

50. Машиностроение, 1981.-184 с. *

51. Способ, контроля режима стерилизации консервовпат. 2331321 Рос. Федерация : МПК7 А 23 Ь 3/00, О 01 N 33/02 / Квасенков Олег

52. Способ стерилизации пищевых продуктов : заявка 2005125168 Рос. Федерация : МПК7 А 23 Ь 3/00 (2006.01) / Благодаров Ю. П. ; заявительI

53. Благодаров Ю. П. -№2005125168/13 ; заявл. 08.08.2005 ; опубл. 20.02.2007.

54. Стерилизующий эффект основа управления процессом стерилизации консервов / В. А. Бутник и др. // Рыб. хоз-во. - 2001. - №4.--С. 49-50.

55. Теплофизические характеристики пищевых продуктов / И. И. Багаутдинов и др.; КГТУ. Калиниград, 1981.-33 с.

56. Технологическое оборудование консервных заводов / М. С. Аминов, М. Я. Дикие, А. Н. Мальский, А. К. Гладушняк. 5-е изд., перераб. и доп. - М. : Агропромиздат, 1986. - 318, 1. с.

57. Технология продуктов из гидробионтов / С. А. Артюхова и др. ; под ред. Т. М. Сафроновой, В. И. Шендерюка. М. : Колос, 2001. - 496 с. -(Учебники и учебные пособия для студентов средних специальных заведений).

58. Технология рыбы и рыбных продуктов / Б. Б. Баранов, И. Э. Бражная, В. А. Гроховский и др. ; под ред. А. М. Ершова. М. : Колос, 2010.- 1064 с.

59. Туголуков, Е. Н. Решение задач теплопроводности методом конечных интегральных преобразований : учеб. пособие / Е. Н. Туголуков. -Тамбов : Изд-во Тамбов, гос. техн. ун-та, 2005. 116 с.

60. Флауменбаум, Б. JI. Основы консервирования пищевых продуктов / Б. JI. Флауменбаум. — М. : Лег. и пищ. пром-сть., 1982. 272 с.

61. Химический состав пищевых продуктов, кн. 1/Под ред. проф., д-ра техн. наук И. М. Скурихина и проф., д-ра мед. наук М. Н. Волгарева. 2-е изд, перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1987. - 224 с.

62. Эйкхофф, П. Основы идентификации систем управления. Оценивание параметров и состояния / П. Эйкхофф : пер. с англ. В. А. Лотоцкого, А. С. Манделя ; под ред. А. С. Райбмана. -М.: Мир, 1975. 686 с.

63. Astroem, К. J. Adaptive control. Second edition / К. J. Astroem, В. Wittenmark. -N. Y. : Dover Publications Inc, 2008. 574 p.

64. Chen, C. F. Elements of Control System Analysis / C. F. Chen, I. J. Hass. Prentice Hall: Academic Press, 1968. - 435 p.

65. Clear retort plastic / Rice Judy // Food Processing (USA). 1991. — Vol. 52, № 9. - P. 36.

66. Davies, W. D. T. System Identification for Self Adaptive Control / W. D. T. Davies. Wiley : Academic Press, 1970. - 435 p.

67. Dietaiy n-3 PUFA Alter Colonocyte Mitochondrial Membrane Composition and Function / S. Robert et al. // Lipids. 2002. - Vol. 37, № 2. - P. 193-199.

68. Effects of Dietary a-Linolenic Acid from Blended Oils on Biochemical Indices of Coronary Heart Disease in Indians / A. Ghafoorunissa, A. Vani, R. Laxmi, B. Sesikeran // Lipids 2002. - Vol. 37, № 11. - P. 1077-1086.

69. Elamin, A. Apid shake method for canned foods poised for take-off Электронный ресурс. / A. Elamin // FOODproductiondaily.com. 21.02.2006.

70. Режим доступа: http://www.foodproductiondaily.com / Processing / Rapidshake-method-for-canned- foods-poised-for-takee-off.

71. Elamin, A. Shake sterilisation technology licenced in US Электронный ресурс. / A. Elamin // FOODproductiondaily.com. 03.05.2007. -Режим доступа: http://www.foodproductiondaily.com / Processing / Shake-sterilization-technology- licenced-in-US.

72. Graupe, D. Identification of systems / D. Graupe. N. Y. : Robert E. Krieger publishing company, 1976.— 304 p.

73. Heimli, Hilde. Eicosapentaenoic Acid-Induced Apoptosis Depends on Acyl CoA-Synthetase / Hilde Heimli, Kristin Hollung, Christian A. Drevon // Lipids. 2003. - Vol. 38, № 3. - P. 263-268.

74. Improvements in or relating to autoclaves : пат. 1294447 : МПК7 В 01 J 3/00, A 23 L 3/00 / Gutowsky C. L., Smith R. A. №53132/69 ; зявл. 30.10.1969; опубл. 25.10.1972.

75. Jewett, В. MUFA versus PUFA / B. Jewett // INFORM: Int. News Fats, Oils and Relat. Matter. 2002. - Vol. 39, № 6. - P. 376-379.

76. Optimal sterilization temperatures for conduction heating foods considering finite surface heat transfer coefficients / C. Silva, M. Hendrickx, F. Oliveria, P. Tobback // J. Food Sci. 1992. - Vol. 57, № 3. - P. 743-748.

77. Outlook for fish to 2020 : meeting global demand. A 2020 vision for food, agriculture, and the environment initiative / C. L. Delgado, S. Meijer, A.

78. Mahfuzuddin, M. W. Rosegrant, N. Wada. Washington : International Food

79. Policy Research Institute ; Penang : WorldFish Center, 2003. 28 p.

80. Pilot machine produced for rapid shake sterilisation process Электронный ресурс. // FOODproductiondaily.com. 26.05.2006. - Режим доступа: http://www.foodproductiondaily.com/Processing/Pilot-machine-produced-for-rapid- shake-st'erilization-process.

81. Qi-Yuan Liu. Dietary Fish Oil and Vitamin E Enhance Doxorubicin Effects in P388 Tumor-Bearing Mice / Qi-Yuan Liu, Benny К. H. Tan. // Lipids. -2002. Vol. 37, № 6. - P. 549-556.

82. Shaka process : Fastest batch sterilisation process Электронный ресурс. // Zinetec. Режим доступа: http://www.shakaprocess.com/7pageid=163.

83. Shukla Triveni, P. Microwave sterilization / P. Shukla Triveni // Cereal Foods World. 1991. - Vol. 36, № 12. - P. 1031.

84. Silva, C. L. M. Optimization of Thermal Processing Conditions: Objectives, Opportunities and Challenges / C. L. M. Silva // Process Optimisation and Minimal Processing of Foods. 1996. - Warsaw. - P. 1-17.

85. Static STERIFLOW Электронный ресурс. // Steriflow. Режим доступа: http://www.steriflow.com / en / 29-static-steriflow.

86. Stumbo, C. Thermobacteriology in Food Processing, 2nd ed. / C. Stumbo. N. Y. : Academic Press, 1973. - 250 p.

87. Systems modelling and Identification / P. Eykhoff, P. M. E. M. Van der Grinten, H. Kwakernaak, B. P. T. Veltman // Survey Paper 2, Proc of IF AC Congress / отв. London, 1966. - P.573.