Экономичная методика разработки режимов стерилизации консервов из гидробионтов для промышленных автоклавов

Разработка режимов тепловой стерилизации консервной продукции является важной задачей рыбной промышленности России [1]. Режим утверждается, если уровень фактической летальности режима превышает нормативный, микробиологические показатели отвечают требованиям промышленной стерильности и сохраняются нормативные органолептические и физико-химические показатели продукта [2].

Научно-исследовательская группа кафедры автоматики и вычислительной техники (АиВТ) Мурманского государственного технического университета (МГТУ) совместно с сотрудниками кафедры технологий пищевых производств (ТПП) в настоящее время в учебно-экспериментальном цехе (УЭЦ) университета ведет исследование технологических процессов с использованием гидробионтов. Для этого используются следующие средства и технологии: лабораторный автоклав АВК-30М, измерительный комплекс Ellab и программное обеспечение PRSC ("Подбор режима стерилизации консервов").

В 2015 г. МГТУ получил заявку от рыбопромышленных предприятий Мурманской области на разработку новых режимов стерилизации консервов для промышленного автоклава АСКАМАТ 230. В связи с тем, что данный вид автоклавов используется на рыболовных судах и отсутствует возможность непосредственного использования АСКАМАТ 230 при разработке режимов, научно-исследовательской группой кафедр АиВТ и ТПП МГТУ был предложен метод использования универсального лабораторного автоклава АВК-30М для моделирования режима стерилизации промышленного автоклава фирмы ASCA и проведено его исследование.

Объекты исследования

Для проведения исследования были выбраны промышленный автоклав АСКАМАТ 230 и универсальный лабораторный автоклав АВК-30М с микропроцессорной системой управления [3]. АВК-30М позволяет гибко реализовать любые режимы стерилизации с возможностью быстрой перенастройки любого этапа стерилизации в соответствии с заданием. Благодаря этому режим работы АВК-30М (режим стерилизации) будет в полной мере соответствовать режиму на промышленном автоклаве АСКАМАТ 230. Это позволит переносить новые, разработанные на АВК-30М режимы стерилизации консервов на промышленный автоклав АСКАМАТ 230.

Программные и аппаратные средства исследования

С целью снижения количества автоклавоварок было использовано программное обеспечение "Подбор режимов стерилизации консервов" (PRSC). Данный продукт позволяет применять результаты численного моделирования в качестве пробных автоклавоварок [4].

Фактическую летальность продукта определяли с помощью комплекса Ellab TrackSense. Данный набор логгеров позволяет исследовать температуру в наименее прогреваемой области банки и непосредственно в стерилизационной камере автоклава. После автоклавоварки можно рассчитать фактический стерилизующий эффект (F-эффект), используя значения временной зависимости температуры внутри банки, и оценить степень пригодности консервов к употреблению и длительному хранению.

Описание объектов исследования

Автоклав ASCAMAT 230 производства фирмы ASCA GmbH (Германия) (рис. 1) представляет собой вертикальный автоклав емкостью 230 л и нагревом тремя ТЭНами, расположенными в донной и боковых частях.

Рис. 1. Промышленный автоклав ASCAMAT 230:

1 – клапан подачи воды; 2 – клапан подачи воздуха; 3 – датчик температуры; 4 – крышка автоклава;

5 – стерилизационная камера автоклава; 6, 7, 8 – трубчатые электронагреватели; 9 – клапан слива из стерилизационной камеры; 10 – система управления; 11 – клапан спуска из стерилизационной камеры

Лабораторный автоклав АВК-30М представляет собой модернизированный медицинский стерилизатор ВК-30 (рис. 2).

Рис. 2. Лабораторный автоклав АВК-30М:

1 – компрессор; 2 – воздушный ресивер; 3, 10, 14 – датчики избыточного давления; 4, 9, 27 – манометры;

5 – датчик температуры в стерилизационной камере; 6 – крышка стерилизационной камеры; 7 – клети с банками; 8 – рубашка автоклава; 11 – клапан подачи воздуха; 12 – стерилизационная камера; 13 – датчик температуры в парогенераторе; 15 – клапан подачи охлаждающей воды в стерилизационную камеру;

16 – водопаровая камера (парогенератор); 17 – трубчатые электронагреватели; 18 – клапан подачи воды в парогенератор; 19 – клапан слива из стерилизационной камеры; 20 – клапан слива из стерилизационной камеры в экономайзер; 21 – клапан слива экономайзера; 22 – клапан подачи пара; 23 – клапан слива из парогенератора в экономайзер; 24 – спускной клапан; 25 – датчик температуры в экономайзере;

26 – экономайзер; 28 – клапан слива из экономайзера в парогенератор; 29 – система управления

Для проведения научных исследований и разработки режимов стерилизации АВК-30М оборудовали техническими и программными средствами отечественного производственного объединения "ОВЕН", на базе которых на кафедре АиВТ МГТУ разработана система управления автоклавом (позиция 29 на рис. 2). Она состоит из программируемого логического контроллера ПЛК-154, модуля аналогового ввода МВА-8 и модуля дискретного ввода-вывода МДВВ. В ходе процесса стерилизации система управления получает информацию с датчиков температуры и давления и осуществляет управление автоклавом с помощью электромагнитных клапанов и ТЭНов [5].

Методы и материалы исследования

На первом этапе исследования была проведена оценка временных зависимостей этапов стерилизации на АСКАМАТ 230 (рис. 3), полученных в реальных условиях эксплуатации. На основании оценки принято решение о модернизации алгоритма функционирования управляющего блока (позиция 29 на рис. 2) лабораторного автоклава АВК-30М с целью моделирования режима работы промышленного автоклава ASCAMAT 230.

Т стк, ° С

t , мин

Рис. 3. График изменения температуры в автоклаве АСКАМАТ 230

Основные изменения коснулись этапов нагрева и охлаждения процесса стерилизации.

Для того, чтобы этап нагрева стерилизационной камеры АВК-30М стал подобен ASCAMAT 230, экспериментально была подобрана функция нагрева алгоритма управления. При ее использовании АВК-30М достигает температуры стерилизации в 115 °С в среднем за 25–27 мин (рис. 4, а ). Кроме того, расхождение температур прогрева продукта внутри консервной тары между лабораторным и промышленным автоклавами после 70 °С составляет менее 1 % (рис. 4, б ).

Рис. 4. График этапа нагрева ASCAMAT 230 и АВК-30М: а – температура стерилизационных камер; б – температура продукта внутри тары

Расхождение температур стерилизационных камер автоклавов (рис. 4, а ) в начале этапа нагрева объясняется тем, что меньший объем прогретой воды в АВК-30М при загрузке банок охлаждается быстрей. Расхождение начальной температуры продуктов внутри тары можно обосновать особенностью логгеров температуры, которые начинают регистрировать показания температуры после 40 °С (рис. 4, б ). Тем не менее, расхождение начальных температур продуктов на этапе нагрева не оказывает влияния на конечное значение фактической летальности.

Таким образом, можно сказать, что система управления в АВК-30М на этапе нагрева всегда стремится сократить отклонение температуры автоклава от кривой нагрева промышленного автоклава ASCAMAT 230. При этом к 12-13 минуте процесса нагрева (рис. 4, а ) расхождение температур автоклавов не превышает 1 %.

Аналогичные изменения алгоритма были проведены для этапа охлаждения автоклава АВК-30М. В связи с различием объемов автоклавов и систем управления (ручная – в ASCAMAT 230) удалось осуществить сходимость этапов охлаждения стерилизационных камер автоклавов для первых двух минут (рис. 5). Эксперименты показали, что за это время происходит решающий скачок температуры как в стерилизационной камере автоклавов, так и внутри консервной тары с продуктом (рис. 6, а ). В конце этапа значения фактической летальности в лабораторном и промышленном автоклавах отличаются не более, чем на 0,2 усл. минуты (1–3 %) (рис. 6, б ).

Рис. 5. Температура внутри автоклавов на этапе охлаждения

Рис. 6. Этап охлаждения автоклавов ASCAMAT 230 и АВК-30М: а – температура продукта; б – значение фактической летальности

Следовательно, можно сказать, что температура в автоклаве АВК-30М на этапе охлаждения с погрешностью в 2 % совпадает с таковой в промышленном автоклаве ASCAMAT 230.

Тепловой расчет этапов нагрева и собственно стерилизации

На этапе нагрева энергия затрачивается на нагрев аппарата, корзин, тары (в данном случае использована банка № 3), воды, продукта и потери тепла в окружающую среду [3], [6]. В данной работе мы не будем рассматривать затраты на нагрев аппаратов, корзин и тары, поскольку количество энергии, затрачиваемое на их нагрев, значительно меньше по сравнению с энергозатратами на нагрев воды в стерилизационных камерах автоклавов. Учитывая это, расход тепла на этапе нагрева рассчитывается следующим образом:

Q ... = G ■ C ■ ( T - Т н ) + F -Т нагр ( T _CT - Т. ) + G 2 ■ C 2 ■ ( T_XMe - Т н_нагр ),                    (1)

где G 1 – масса воды, кг; с 1 – теплоемкость воды, 4,18 кДж/(кг·К); Т н и Т к – начальная и конечная температуры автоклава в процессе нагрева соответственно, 292,15 К (19 °С) и 388,15 К (115 °С); G 2 – масса продукта, кг; с 2 – теплоемкость продукта, 3,6 кДж/(кг·К); Т н_нагр , Т к_нагр – начальная и конечная температуры продукта в процессе нагрева соответственно, 288,15 (15 °С) и 358,15 К (85 °С); F – площадь поверхности аппарата, м ² ; τ нагр – время нагрева до температуры стерилизации (115 °С), 1500 с; Т ст – температура наружной стенки изоляции стерилизационной камеры, 297,15 К (24 °С); Т _в – температура воздуха в помещении, 288,15 К (15 °С); λ – суммарный коэффициент теплоотдачи, 13,34 Вт/(м ² ·К).

На этапе собственно стерилизации энергия расходуется лишь на нагрев продукта и стабилизацию температуры стерилизационной камеры автоклава, т. е. компенсацию потерь в окружающую среду. Таким образом, осуществить расчет затрат тепла на этапе собственно стерилизации можно по формуле

Q cmep = ^G 2 ■ ^c 2 ' ^{( Т} к_стер - ^Т н_стер ) ^{+ F} '^Т стер '^' ^{( Т} ст - ^Т в )>                                 ⁽²⁾

где Т н_стер , Т к_стер – начальная и конечная температуры продукта на этапе стерилизации соответственно, 358,15 (85 °С) и 388,15 К (115 °С); F – площадь поверхности аппарата, м ² ; τ стер – время этапа стерилизации консервов, 3 600 с; Т _ст – температура наружной стенки изоляции стерилизационной камеры, 297,15 К (24 °С); Т _в – температура воздуха в помещении, 288,15 К (15 °С); λ – суммарный коэффициент теплоотдачи, 13,34 Вт/(м ² ·К).

Подставив в формулы (1) и (2) значения параметров из табл. 1, получим расчетные значения затрат энергии для этапов нагрева и собственно стерилизации, представленные в табл. 2.

Таблица 1

Энергозатраты на этапах нагрева и стерилизации

Параметры автоклавов для расчета энергозатрат

Параметр	Значение
	АВК-30М	ASCAMAT 230
G 1	30 кг	230 кг
G 2	9,2 кг	69 кг
F	0,5 м 2	1,7 м 2

Таблица 2

Тип автоклава	Объем, л	Затраты на этапе нагрева, кДж	Затраты на этапе стерилизации, кДж	Итоговые затраты, кДж	Итоговые удельные затраты (в пересчете на 1 л объема), кДж	Итоговые затраты, в % от затрат для ASCAMAT 230
АВК-30М	30	2420	1210	3630	120	14
ASCAMAT 230	230	17785	8180	25965	113	100

Из анализа табл. 2 следует, что энергозатраты на этапах нагрева и собственно стерилизации в пересчете на литр объема у обоих автоклавов практически совпадают. Также, согласно табл. 2, АВК-30М потребляет энергии в 7 раз меньше, чем ASCAMAT 230 при выполнении идентичного процесса стерилизации. Это позволяет существенно сократить затраты электроэнергии, сырья, тары и воды при разработке режима стерилизации с использованием автоклава АВК-30М.

Заключение

Обобщая вышесказанное, мы пришли к выводу, что автоклав АВК-30М можно эффективно использовать для разработки новых режимов стерилизации консервов из гидробионтов для промышленного автоклава ASCAMAT 230. При использовании АВК-30М экономия может составить 85 % по электроэнергии и до 90 % по расходу сырья для одной пробной автоклавоварки.

Использование методики, описанной в статье, при необходимости разработки режимов стерилизации для промышленных автоклавов больших емкостей позволит в разы снизить затраты энергии и сырья для одной автоклавоварки.