Предварительный подбор режима стерилизации консервов "Скумбрия атлантическая натуральная с добавлением масла" на основе разработанных математических моделей процесса

Математические модели тепловых процессов в стерилизационной камере автоклава и банке с продуктом обычно представляют в виде дифференциальных уравнений, которые зависят от множества трудно учитываемых факторов. Например, начальная температура продукта, температура теплоносителя, зависимость теплоемкости участвующих в теплообмене объектов от параметров процесса, фазовых превращений теплоносителя, размеров и формы банок, формы стерилизационной камеры и т. п. Значение каждого фактора подбирается в зависимости от экспериментальных данных, поэтому вывод полной математической модели процесса значительно затруднен.

Для упрощения процесса получения моделей тепловых процессов в автоклаве и банке с продуктом можно использовать передаточные функции, построенные по экспериментальным данным, полученным для входных и выходных параметров процесса. Такой подход позволяет, используя небольшое число легко реализуемых экспериментов, построить модель, отражающую основные характеристики динамики процесса. При этом она будет корректной и адекватной, и временные температурные зависимости будут отражать поведение реального процесса [1].

Для реализации такого подхода на кафедре автоматики и вычислительной техники (АиВТ) Мурманского государственного технического университета (МГТУ) было разработано программное обеспечение "Подбор режимов стерилизации консервов" (PRSC) для использования моделей тепловых процессов в автоклаве и банке с продуктом в процессе разработки режимов стерилизации консервов из гидробионтов в учебноэкспериментальном цехе (УЭЦ) МГТУ. Данный программный продукт позволил сократить количество пробных автоклавоварок, уменьшить затраты электроэнергии и время работы лабораторного автоклава АВК-30М [1]. Тем самым программное обеспечение PRSC упростило работу разработчика режима стерилизации на этапах предварительного подбора и оформления [2].

Материалы и методы

Предварительный подбор параметров режима стерилизации консервов "Скумбрия атлантическая натуральная с добавлением масла" осуществлялся с помощью программного обеспечении PRSC "Подбор режимов стерилизации консервов". Интерфейс программного обеспечения представляет собой основное "рабочее" окно (рис. 1), из которого можно вызвать окно "Настройки моделей" (рис. 2) с двумя вкладками: "Параметры модели продукта" и "Параметры модели автоклава".

Для предварительного подбора параметров режима стерилизации с использованием программы PRSC в лабораторном автоклаве АВК-30М был проведен предварительный пробный процесс стерилизации и охлаждения в воде с противодавлением консервов "Скумбрия атлантическая натуральная с добавлением масла" в банке № 3 по следующему режиму:

15 - 50 - 20

120 ° С

0,2 МПа.

Рис. 1. Основное окно программы PRSC

Fig. 1. Main window of PRSC

Рис. 2. Окно настройки моделей продукта и автоклава Fig. 2. Window of product and autoclave models' configuration

Изготовление консервов "Скумбрия атлантическая натуральная с добавлением масла" осуществлялось в соответствии с ГОСТ 13865–2000 ¹ и технологическими инструкциями ² . Сбор информации о температуре в стерилизационной камере автоклава и банке с продуктом происходил с помощью логгеров Ellab TrackSense PRO.

На основании полученной информации были определены три передаточные функции для модели продукта (рис. 2): в наименее прогреваемой области автоклава (Wmin(p)), средней по прогреву (Wср(р)) и наиболее прогреваемой (Wmax(p)).

Используя данные логгеров Ellab, были получены передаточные функции W(р) в программном обеспечении "Modeller", разработанном авторами данной статьи (рис. 3). Далее, используя область "Параметры модели", кнопки "Построить" и "Подбор коэффициентов", получены коэффициенты передаточных функций W(р) в области "Результаты" окна программы "Modeller".

Рис. 3. Основное окно программы "Modeller"

Fig. 3. The main window of Modeller

Полученные коэффициенты передаточной функции Wср(р) для модели продукта использовались в программе PRSC на вкладке "Параметры модели продукта" окна "Настройки моделей" (рис. 2).

Затем в программе PRSC были введены параметры модели автоклава (скорости нагрева, охлаждения, остывания пара и воды (°С/мин), объем, масса без корзин, масса корзины и их количество, площадь внутренней поверхности стерилизационной камеры, объем банки и их количество и т. д.), вид процесса стерилизации (водная среда), начальные и конечные температуры автоклава (рис. 2). Для начала работы выбран режим стерилизации (традиционный) и заданы продолжительности этапов нагрева, стерилизации, охлаждения и температура стерилизации. По этим данным программа PRSC построила временную температурную зависимость в стерилизационной установке, а также значения температур в трех областях автоклава: наименее прогреваемой, средней по прогреву и наиболее прогреваемой (рис. 1) [2–4].

Результаты и обсуждение

После проведения пробной автоклавоварки и считывания информации с логгеров Ellab о температуре в стерилизационной камере автоклава и банке с продуктом по вышеописанной методике была получена модель процесса стерилизации консервов "Скумбрия атлантическая натуральная с добавлением масла" (рис. 1, 2, 3). Результаты моделирования в программе PRSC процесса стерилизации представлены в графическом (рис. 1) или табличном (рис. 4) вариантах.

Значение нормативного стерилизующего эффекта для данного вида продукции при стерилизации в банке № 3 соответствует 5,9 усл. минутам ³ . Далее в автоматическом режиме был подобран режим стерилизации консервов "Скумбрия атлантическая натуральная с добавлением масла" по значению фактической летальности (6,93 усл. минуты) близкому к нормативному стерилизующему эффекту (рис. 5).

Режим Продукт Автоклав
TF :® : ВТ ч” ^ Чт
80.00 ЕЙ				Терм ограмм ы и летал ьность Та бл и ца тем п ератур и ра сч ет л етал ьности
Тнач, продукта, Ткон, автоклава		•с 120,00     <:		ц                          ।-----=ч Расчет фактической летальности Шаг по времени, мин ] ^^ [У]|   @ По процессу        О По таблице
		. -с | 20,00       :		Время, мин.	Т в автоклаве, С	Т в банке, С	L, усл. мин.
Режим стерилизации				0	80,00	20,00
1радиционнь Стерилиза		и Ступенчатый		5,00	93,33	32,72
				10,00	106,67	50,06
				15,00	120,00	66,52
а, мин				20,00	120,00	81,06
А, мин В, мин С, мин т, ес		15,00   ^		25,00	120,00	91,91	0,00
		50,00 цу		30,00	120,00	99,75	0,02
		20,00 Eg		35,00	120,00	105,41	0,10
		120,00    :		40,00	120,00	109,48	0,33
				45,00	120,00	112,42	0,83
Р, МПа F, усл.миь Z	0.20 Й			50,00	120,00	114,53	1,71
	5.* SI + |0.50 Щ			55,00	120,00	116,06	3,05
	А Рассчитать			60,00	120,00	117,16	4,85
				65,00	120,00	117,95	7,07
	10,00			70,00	70,00	114,52	9,12
Результаты расчета				75,00	20,00	99,48	9,49
Lcp = 9,79 усл.мин Lmhh -9,50 усл. мин 1макс = 10,10 усл.мин Время процесса = 85,00 мин Энергозатраты = 86,14 кВт-ч				80,00	20,00	78,76	9,50
				85,00	20,00	62,43	9,50

Рис. 4. Результаты моделирования в табличном виде в программе PRSC Fig. 4. Table view of simulation results in PRSC

Режим Продукт Автоклав

Рис. 5. Режим стерилизации для достижения нормативного стерилизующего эффекта Fig. 5. Sterilization regime for achievement of normative sterilizing effect

				Терм ограмм ы и летал ьность Та бл и ца тем п ератур и ра сч ет л етал ьности
Тнач, продукта, Ткон, автоклава				Ы                            ।------Расчет фактической летальности ‘         Шаг по времени, мин ] ^,00 q| ©По процессу        ОПотаблице
		. .с | 20,00 yg		Время, мин.	Т в автоклаву С	Т в банке, С	L, усл. мин,
Режим стерилизации				0	80,00	20,00
Iрадиционнь Стерилиза		и Ступенчатый		5,00	93,33	32,72
				10,00	106,67	50,06
				15,00	120,00	66,52
а, мин				20,00	120,00	81,06
А, мин В, мин С, мин Т, еС		15.00 g		25,00	120,00	91,91	0,00
		45,00   ^		30,00	120,00	99,75	0,02
		20,00   ^		35,00	120,00	105,41	0,10
		120,00 С		40,00	120,00	109,48	0,33
		_		45,00	120,00	112,42	0,83
₽, МПа F, усл.миь Z	о,2о :			50,00	120,00	114,53	1,71
	5.* g| + |°.И SI			55,00	120,00	116,06	3,05
	А Рассчитать			50,00	120,00	117,16	4,85
				65,00	70,00	113,95	5,60
	10,00 I-;,:			70,00	20,00	99,07	6,92
Результаты расчета Lcp = 7,1В усл.мин Lmhh = 6,93 усл.мин 1макс =7,44 усл.мин Время процесса = 80,00 мин Энергозатраты = 85,71 кВт-ч				75,00	20,00	78,46	6,93
				80,00	20,00	62,22	6,93

Также был подобран ступенчатый режим стерилизации для данного продукта с максимальной температурой 125 °С в стерилизационной камере (рис. 6). Результаты моделирования процесса стерилизации консервов "Скумбрия атлантическая натуральная с добавлением масла" для различных режимов стерилизации представлены в таблице.

Рис. 6. Ступенчатый режим для достижения нормативного стерилизующего эффекта

Fig. 6. Step mode sterilization for achievement of normative sterilizing effect

Таблица. Результаты моделирования режимов стерилизации консервов "Скумбрия атлантическая натуральная с добавлением масла"

Table. Simulation results of sterilization regimes of canned "Natural Atlantic Mackerel with Oil"

Способ стерилизации	Традиционный		Ступенчатый
Формула стерилизации	15-50-20	15-45-20	15-731 20 125    120
	120	120
Макс. температура продукта, °С	118,03	117,29	117,4
Продолжительность процесса, мин	85	80	72
F-эффект, усл. мин	9,5	6,93	6,21

На основе полученных данных моделирования процессов стерилизации консервов "Скумбрия атлантическая натуральная с добавлением масла" (табл.) можно сделать вывод о том, что предварительный подбор позволяет получить оптимальный процесс и по фактическому стерилизующему эффекту. Использование ступенчатого режима стерилизации с максимальной температурой 125 °С в стерилизационной камере позволяет сократить продолжительность процесса до 10 %. Однако применение такого режима на практике требует дополнительных исследований по влиянию повышенной температуры (125 °С) на качество продукта. Также необходимо исследовать зависимости провариваемости костей продукта от температуры и продолжительности процесса.

Заключение

Предварительный подбор режима стерилизации консервов на основе разработанных математических моделей стерилизационной камеры и продукта позволил существенно сократить время на разработку режима стерилизации консервов "Скумбрия атлантическая натуральная с добавлением масла", количество пробных процессов стерилизации.

Наиболее эффективным с точки зрения продолжительности процесса по сравнению с традиционными процессами является ступенчатый режим стерилизации с максимальной температурой 125 °С в стерилизационной камере автоклава.

Использование данного подхода на основе разработанных математических моделей процесса позволяет получить оптимальные ступенчатые и вариабельные режимы стерилизации консервов, имеющих высокую энергоэффективность при сохранении высокого качества продукта [5].