Исследование температурного поля промышленного автоклава АSCАМАТ-230

Термическая обработка продукции и изготовления консервов в водной среде, несмотря на несколько веков развития, продолжает активно совершенствоваться. Стерилизованные консервы остаются востребованными благодаря длительному сроку хранения и удобству в реализации и потреблении.

Ключевым фактором при разработке новых режимов стерилизации является оптимальное сочетание полезного и вредного воздействия высоких температур на продукт во время процесса стерилизации. С одной стороны, тепловая стерилизация инактивирует присутствующие в продуктах питания микроорганизмы и ферменты. В то же время высокая температура снижает концентрацию термолабильных нутриентов. Поэтому исследователи находятся в постоянном поиске оптимальных температурно-временных режимов тепловой стерилизации, снижающих энергозатраты и продолжительность процесса стерилизации [1].

Одной из проблем при разработке нового режима термической обработки (стерилизации) продукта на этапах предварительного подбора и лабораторного испытания является неоднородность температурного поля в стерилизационных камерах промышленных автоклавов при нагреве и охлаждении (температура по объему автоклава различается более чем на один градус). В связи с этим сотрудниками кафедр автоматики и вычислительной техники (АиВТ) и технологий пищевых производств (ТПП) Мурманского государственного технического университета (МГТУ) были проведены исследования ¹ по изучению температурного поля греющей среды автоклава ASCAMAT-230 (Германия) [2]. Автоклавами данного типа оснащены суда мурманской компании ФЭСТ, вырабатывающие рыбные консервы.

Цель работы: поиск наименее прогреваемой зоны автоклава ASCAMAT-230, необходимый для разработки новых и корректировки действующих режимов стерилизации консервов.

Материалы и методы

Объект исследования

Объектом исследования является промышленный автоклав ASCAMAT-230 производства фирмы ASCA GmbH (Германия) (рис. 1), представляющий собой вертикальный автоклав объемом 230 литров и нагревом тремя трубчатыми электронагревателями, расположенными в донной и боковых частях [3]. Камера автоклава – это цилиндрический сосуд с размерами 620 мм × 640 мм (Ш × В).

Рис. 1. Промышленный автоклав ASCAMAT-230:

1 – корпус; 2 – клеть; 3 – датчик давления; 4 – датчик температуры; 5 – манометр; 6 – клапан слива; 7 – клапан подачи охлаждающей воды; 8 – клапан спуска пара; 9 – нагревательные элементы;

10 – предохранительный клапан; 11 – защитный ручной клапан-блокиратор крышки Fig. 1. The industrial autoclave ASCAMAT-230:

1 – the case; 2 – the stand; 3 – the pressure sensor; 4 – the temperature sensor; 5 – the manometer;

6 – the drain valve; 7 – the cooling water supply valve; 8 – the valve of steam descent;

9 – the heating elements; 10 – the safety valve; 11 – the protective manual lid blocking valve

Программные и аппаратные средства исследования

Для измерения значения температур в стерилизационной камере автоклава ASCAMAT-230 использовались логгеры температуры Thermochron iButton серии DS1922 научно-технической лаборатории "Электронные инструменты" (рис. 2).

Рис. 2. Логгер температуры Thermochron iButton

Fig. 2. The Thermochron iButton temperature logger

Измерение температуры в наименее прогреваемой области банки с продуктом проводилось с помощью логгеров комплекса Ellab TrackSense PRO (рис. 3). После автоклавоварки использование данных значений позволило рассчитать фактический стерилизующий эффект ( F -эффект).

Рис. 3. Логгер температуры комплекса Ellab TrackSense PRO (Дания) Fig. 3. The temperature logger of the Ellab TrackSense PRO complex (Denmark)

Методы исследования

Определение параметров температурного поля промышленного автоклава ASCAMAT-230 проводилось согласно рекомендациям, изложенным в методике по изучению температурного поля греющей среды аппаратов периодического действия для стерилизации консервов [4; 5].

Логгеры температуры Thermochron iButton DS1922T-F5 располагались внутри стерилизационной камеры автоклава ASCAMAT-230, полностью заполненного банками с продуктом, как показано на рис. 4. Логгер 1 размещен в месте установки штатного термометра (карман стерилизационной камеры автоклава). Логгерами 2 и 3 производились измерения температуры в центре и на периферии нижней части автоклава. В верхней части автоклава аналогично были размещены логгеры 5 и 6. В средней части измерения температуры проводились с помощью логгера 4, расположенного по центру автоклава.

Рис. 4. Размещение логгеров температуры внутри стерилизационной камеры автоклава

Fig. 4. Placement of temperature loggers inside the autoclave sterilization chamber

Логгеры температуры комплекса Ellab TrackSense PRO были установлены в двух банках с однородным продуктом (паштет), которые располагались в верхней и нижней частях автоклава ASCAMAT-230. Эксперименты проведены в 3-кратной повторности. Отклонения температуры минимальны (в пределах ошибки прибора ± 0,01 °С).

Результаты и обсуждение

Температурно-временные характеристики всего процесса стерилизации, а также отдельно этапов нагрева и охлаждения в точках размещения логгеров Thermochron iButton DS1922T-F5 внутри стерилизационной камеры автоклава ASCAMAT-230 представлены на рис. 5, 6 и 7 соответственно.

Анализируя данные рис. 5–7, можно сказать, что на этапе нагрева температурное поле автоклава возможно считать однородным, так как температура во всех точках, где были расположены логгеры, по окончании этапа отличается не более чем на один градус Цельсия. Кривая нагрева логгера 3 отличается от остальных, поскольку логгер был расположен в той части автоклава, где наблюдается наибольший градиент температур в начале процесса нагрева.

На этапе охлаждения (рис. 7) видно, что нижняя часть автоклава (корзина 1) охлаждается быстрее всего. Это объясняется расположением клапана подачи охлаждающей воды в донной части автоклава. Логгер 4, расположенный в центре стерилизационной камеры автоклава, охлаждался с запаздыванием в 10 мин относительно логгеров нижней корзины. Верхняя корзина (логгеры температуры 5 и 6) охлаждается лишь через 15 мин после полного охлаждения нижней корзины автоклава.

Временные зависимости температуры и F -эффекта, полученные с помощью логгеров Ellab TrackSense PRO, представлены на рис. 8 и 9 соответственно.

0:00:00 0:10:00 0:20:00 0:30:00 0:40:00 0:50:00 1:00:00 1:10:00 1:20:00 1:30:00 1:40:00 1:50:00 t, Ч

Рис. 5. Температурно-временные характеристики всего процесса стерилизации

Fig. 5. The temperature and time characteristics of the entire sterilization process

Рис. 6. Температурно-временные характеристики этапа нагрева

Fig. 6. The temperature and time characteristics of the heating stage

Рис. 7. Температурно-временные характеристики этапа охлаждения

Fig. 7. The temperature and time characteristics of the cooling stage

Рис. 8. Временные зависимости температуры внутри банок с продуктом

Fig. 8. The time dependencies of temperature inside the cans with the product

Как видно из рис. 8, после 10 мин процесса нагрева температура в центре банок с продуктом в верхней и нижней частях автоклава не отличается более чем на 1 °С до конца этапа собственно стерилизации. На этапе охлаждения банки с продуктом в верхней части автоклава начинают охлаждаться через 10 мин после банок с продуктом, располагающихся в нижней части автоклава. Именно этим и обусловлено различие конечных значений F -эффектов (рис. 9) на 10 % в различных корзинах автоклава.

Рис. 9. Временные зависимости F -эффекта для банок с продуктом

Fig. 9. The time dependencies of the F -effect for cans with the product

С учетом полученных данных об однородности температурного поля можно предложить следующие рекомендации по использованию автоклава ASCAMAT-230:

• 1)    на этапе предварительного подбора режимов стерилизации консервов рекомендуется банки с продуктом размещать в нижней корзине автоклава. Это позволит выдерживать заданный температурновременной режим стерилизации на этапе охлаждения;

• 2)    при создании системы управления автоклавом желательно располагать датчики температуры в нижней и верхней частях автоклава для поддержания температуры стерилизации на заданном значении на этапе собственно стерилизации;

• 3)    необходимо учитывать разницу F -эффектов, равную 10 %, в верхней и нижней корзинах автоклава при проведении процесса стерилизации консервов.

Заключение

По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы.

• 1.    Изучено температурное поле промышленного автоклава ASCAMAT-230. С помощью данных о температуре, полученных с логгеров температуры Thermochron iButton и Ellab TrackSense PRO, построены временные зависимости температур в характерных точках автоклава для всего процесса стерилизации и отдельно для этапов нагрева и охлаждения. Также построены характеристики изменения температуры и фактического стерилизующего эффекта внутри банок с продуктом при проведении процесса стерилизации.

• 2.    Температурное поле промышленного автоклава ASCAMAT-230 на этапе стерилизации можно считать равномерным, так как разница температур в различных областях автоклава и банках с продуктом составляет не более 1 °С. На этапе охлаждения температурное поле является неоднородным, поскольку нижняя часть автоклава охлаждается быстрее верхней на 15 мин, а банки с продуктом – на 10 мин. Причиной такой неоднородности является конструктивная особенность автоклава ASCAMAT-230 – подача охлаждающей воды осуществляется сначала в донную часть автоклава.

• 3.    Определена наименее прогреваемая зона промышленного автоклава ASCAMAT-230.

Приведенные выше рекомендации использованы при разработке режимов стерилизации для автоклавов этого типа.