Принципы, общая схема и обоснование эффективности теплопередачи при производстве мясных продуктов питания

Уровень рентабельности предприятий мясоперерабатывающей промышленности во многом зависит от степени использования сырьевых ресурсов. Высокоэффективных резервов в этом направлении достаточно много, и они направлены на производство продуктов питания, кормов и всевозможные технические нужды. Одним из высокотехнологичных направлений является производство мясокостных бульонов для обеспечения предприятий общественного питания. Они производятся централизованно на крупных мясоперерабатывающих предприятиях [1-3] со значительными объемами поставки в торговую сеть и потребителю для приготовления на их основе заправочных супов, соусов, первых блюд или в самих предприятиях общественного питания только для собственных нужд.

Другое направление производства жидкого бульона представляет собой навар из мяса, костей и овощей. Он поставляется в жестяных банках, стаканах или чашках из разных типов пластмасс и картонных коробках (в основном Tetra Pak или SIG).

В соответствии с данными ретроспективного анализа рынок жидких охлажденных или замороженных пакетированных бульонов представлен в виде готового продукта быстрого питания. Однако, хотя оно и существует с 2000 г. объемы его производства и употребления снижаются и стали крайне низкими, более популярны сухие суповые концентраты. Это объясняется проблемой длительности хранения, которая, в свою очередь, зависит от развития в продуктах мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов, бактерии группы кишечной палочки (колиформы), патогенных микроорганизмов [4–7]. В жидких бульонах их развитие значительно выше. Это объясняется жидкой средой, благоприятствующей развитию очагов и низкими условиями обеспечения стерильности всех операций технологического процесса производства сырья и бульона. Вторым фактором является высокий уровень импортозависимо-сти: такие компании, как Unilever Foods Cо, Oscar А/S, Jamarlin Cо и др., вначале продвинули продукт на рынке России, а затем прекратили поставки.

Проблема глубокой переработки вторичных ресурсов пищевых производств требует своего решения. Она включает экологический и экономический аспекты. Размещение отходов производства на полигонах для твердых бытовых отходов, сброс их в поверхностные водоемы, сжигание наносят ощутимый вред природным ресурсам и в экологическом плане являются неоправданными и неперспективными. В экономическом отношении рациональная переработка вторичных ресурсов позволит получить дополнительно пищевую, техническую продукцию и корма [8–10].

Производство мясных продуктов неизбежно сопровождается накоплением вторичных ресурсов практически на всех этапах выработки продукции. Основная доля их приходится на операции убоя и разделки мяса. На основании текущих статистических данных в большинстве предприятий, перерабатывающих мясо и общественного питания, только порядка 5 - 10 % мясокостного сырья используется на пищевые цели, а остальное в лучшем случае используется на производство кормов или утилизируется. Ценный биопотенциал вторичного мясокостного сырья обусловлен высокой концентрацией в нем биологически активных веществ (коллагена, аминокислот, жирных кислот, кальция, фосфора и др.). Содержание минерализованного коллагена в данном сырье может достигать 50 % массы и выше. В связи с этим его целесообразно использовать при производстве пищевых продуктов [11–13].

На основании вышесказанного целью работы явилось исследование и разработка технологической схемы поточно-технологической линии производства жидких пакетированных бульонов в виде готового продукта быстрого питания. В задачи исследования входило аналитическое обоснование технологических операций и процесса теплопередачи при варке мяса.

Материалы и методы исследований

Методика исследований основывалась на теоретическом анализе закономерностей теплопроводности от гидродинамических и емкостных свойств среды и продукта переработки. При аналитическом исследовании методическая цель была сконцентрирована на изучении целостности системы, позволяющей структурировать все входящие в нее элементы и обосновать их взаимодействие в комплексе [14].

Результаты исследования и их обсуждение

Литературный и патентный поиски предопределили актуальность рассматриваемой научно-исследовательской темы, связанной с оптимизацией операций технологического процесса в непрерывной замкнутой поточно-технологической линии, обеспечивающей высокую стерильность, качество жидкого бульона и ресурсосбережение [14]. Установлена целостность системы, в соответствии с которой изучались элементы, представленные на рисунке 1.

Рисунок 1 – Технологическая схема производства жидкого пакетированного бульона быстрого питания

Измельчение мяса осуществляется с целью оптимизации гидромеханического процесса его нагрева. Варка бульонов в пищеварочных котлах относится к многофакторным сложным гидротермическим процессам, являющимся основополагающими при изучении системы «мясо (обрабатываемое сырье) – вода (теплоноситель)» [15].

Изучаемый процесс имеет свои особенности, присущие целевой функции передачи тепла жидкостным носителем в функции времени и глубины продвижения в нагреваемое мясо. Закономерности теплообмена в данном случае основываются на классических исследованиях Ж.В. Фурье, С.Д. Пуассона, В.А. Михельсона, М. Планка и др. авторов [16, 17].

Более близкое научное направление, связанное с возможностью перехода различных видов энергии в тепловую, необходимую для обработки различных материалов, представлено в работах А.Г. Князевой [18].

В соответствии с закономерностями теплопередачи [19] и на основании второго закона термодинамики теплопередача осуществляется на молекулярном уровне за счет обмена энер- гией между молекулами, атомами и электронами воды (теплоносителя) и мяса (теплоприем-ника). Нагреваемая вода, обладающая повышенной температурой, самопроизвольно переходит в нагреваемое мясо и передает ему свое тепло (рис. 2).

Теплопоток Q, Вт

Рисунок 2 – Движущая сила теплопередачи

Передача теплопотока Q теплоносителя с температурой t 1 за счет теплопередачи тепла t 2 протекает до определенного периода насыщения по закономерности

At = t1 = t2.                                          (1)

И он продолжается до момента выравнивания температур, равной насыщенности при t 1 = t 2 = T [19].

dQ = kTdF,                                  (2)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/Км²; dF - насыщаемая теплом элементарная площадь мяса м², размерами которой можно управлять, а также скоростью и продолжительностью нагрева.

На основании выражения (2) следует, что распределение тепла в обрабатываемом мясе в период τ осуществляется в координатах T ꞊ (X, Y, Z, τ ) [19, 20]. Данные представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Поля распространения температуры и теплоемкости в объеме мяса

Процесс переноса тепла и воды в глубь куска мяса происходит за счет молекулярной диффузии в насыщаемом твердом теле. Этот процесс, в свою очередь, обусловливает создание переменных полей концентраций C ꞊ f (X, Y, Z, T).

Продолжительность массопередачи, нагрева и выравнивания температуры в куске мяса, обладающего волокнистым, препятствующим продвижению теплоносителя строением, обусловливается закономерностью Фурье, которую для нашего случая можно охарактеризовать прямо пропорциональной зависимостью времени нагрева к его линейным размерам. На этом основании исходя из первого закона массопередачи Фика молекулярная диффузия, хаотичная и замедленная на первой стадии нагрева жидкости, по мере повышения тепла приобретает направленное из зоны высоких концентраций (теплоносителя) в зону низких (мясо) и насыщает его теплом:

,.,     kTdC dM =     , dldFdr

где dC — градиент концентраций в направлении диффузии; d T - продолжительность диффузии, ч; t = f (V, T), она функционально зависит от объема мяса V м 3 и температурного поля T ° С.

Характер изменения тепла в воде при нагреве и его передачи мясу изучался на примере изменения теплоемкости, характеризующей зависимость подаваемого количества тепла для получения единичного изменения температуры обрабатываемого мяса:

c = d-Q dT

В свою очередь, количество теплоты, затрачиваемое при гидротермической обработке мяса, есть отношение теплоемкости (4) к массе мяса, m:

dQ

с ----

^Суд    т di

Расчетами установлен характер изменения температуры воды при ее нагреве. Данные представлены на рисунке 4.

---------- Температура воды, °C

Рисунок 4 – Динамика изменения температуры воды при нагреве

Из графика следует, что удельная теплоемкость воды зависит от прилагаемого температурного поля, она снижается при нагреве от 0 до 37 - 40 ° С и повышается при последующем нагреве при незначительном изменении интенсивности нагрева. Теплопроводность же воды повышается более интенсивно при 0 ° С составляет 0,560 Вт/(м^ ° С), а при 100 ° С - 0,684 Вт/(м^ ° С) увеличивается приблизительно на 0,3 % на каждые 10 ° С нагрева.

Заключение

Исходя из исследования закономерности гидротермического состояния теплоносителя (воды), при производстве мясного бульона в электрическом пищеварочном котле с целью повышения производительности и снижения энергозатрат нагрев воды следует проводить в два этапа:

• -    нагрев воды в бойлере (НБ) от 15 до 70 ° С и перелив и варка в пищеварочном котле (ПК) от 70 до 98 ° С. Это способствует повышению производительности в 2 раза и снижению энергопотребления Э ꞊ НПК (12,8 кВт), НБ (4,00 кВт) ꞊ 8,80 кВт и позволяет сократить время варки бульона;

• -    обрабатываемая теплоносителем поверхность мяса должна оптимизироваться выражением:

dF = (^ т.т.—^.т. )^ , (6)

где dF – элементарная обрабатываемая теплоносителем площадь поверхности мяса, м²; t T.T. – текущая температура теплоносителя в переменный период dT, ° С; t n.T -начальная температура теплоносителя, ° С.