В настоящее время термическая стерилизация консервов в автоклавах является одним из наиболее широко используемых методов консервирования пищевых продуктов. Как правило, метод термической стерилизации заключается в нагревании пищевых контейнеров в автоклавах под давлением при определенных температурах в течение заранее установленных интервалов времени с последующим резким охлаждением.

Условия, применяемые при термической обработке консервированных продуктов, должны определяться специалистами в соответствии с каждым установленным оборудованием/контейнером/продуктом питания. Эта система определяет следующие технологические условия: время обработки, температуру процесса, минимальную начальную температуру консервов, профиль давления и программу деаэрации автоклава.

В соответствии с этими требованиями к качеству и безопасности, время обработки определяется очень тщательно, включая контроль времени обработки и температуры, чтобы избежать недостаточной или чрезмерной обработки консервов.

Несмотря на то, что процессы стерилизации могут быть тщательно определены, их повседневное применение в промышленном производстве не соответствует идеалу. Часто возникают эксплуатационные проблемы, такие как перебои в подаче электроэнергии, временное прекращение подачи пара, а также отказ оборудования системы управления, которые приводят к отклонениям в технологическом процессе, связанным с изменением температуры теплоносителя.

Другие технологические отклонения могут возникать при изменении основных технологических параметров, таких как: начальная температура консервов, сокращение времени обработки, снижение температуры нагревательной среды. При обнаружении таких отклонений партия обычно перерабатывается или отделяется для дальнейшего анализа специалистами данных о ходе технологического процесса, которые определяют назначение партии. Эти процедуры являются дорогостоящими, медленными, и когда принимается решение о переработке консервированных продуктов, это приводит к ухудшению качества пищевых продуктов (Гермер, 1997).

Цель данной статьи — представить математическую модель, которая работает в режиме реального времени и учитывает условия работы стационарного автоклава. Эта модель будет получать данные от системы управления ретортой и выступать в качестве программного датчика для определения летальности.

Формулировка задачи

Стерилизация консервов частично зависит от скорости проникновения тепла внутрь них. Когда пищевые продукты расфасовываются в контейнеры, которые будут подвергаться тепловой обработке внутри автоклава, с использованием пара в качестве нагревающего агента, конденсация пара будет определять скорость теплопередачи в системе консервы/контейнер.

На скорость теплопередачи влияют следующие факторы:

(i) коэффициенты теплопередачи;

(ii) физические свойства пищевых продуктов и тары;

(iii) разница температур между ретортой и консервированными продуктами;

(iv) размеры тары.

В данной статье нас интересует оценка температурного режима внутри растительного мяса, упакованного в цилиндрический контейнер. Растительное мясо, используемое в данной статье, имеет следующий состав: пшеничный глютен, соевый текстурированный белок, гидролизованный растительный белок, кокосовый жир, лук, чеснок и соль. Используемое растительное мясо было получено непосредственно на производственной линии бразильской пищевой компании. Для экспериментальных испытаний были использованы цилиндрические металлические контейнеры диаметром 73,3 мм и высотой 111 мм.

Управление процессом стерилизации в режиме реального времени

Использование математической модели, способной прогнозировать характеристики консервов в зависимости от изменений технологических условий, является основополагающим для обеспечения хорошей производительности систем управления в режиме реального времени, управляемых компьютером.

Основное преимущество, получаемое при использовании математических моделей, способных прогнозировать температурный режим консервов, основано на том факте, что мы можем учитывать колебания температуры в автоклавах. Например, когда происходит резкое понижение температуры в автоклаве, модель выдает температуру в месте остывания продукта и рассчитывает летальный исход, связанный с этим.

В этой статье нас интересует, что математическая модель работает как программный датчик, используемый в качестве подсистемы компьютерного управления. В его случае модель должна предсказывать правильную температурную реакцию консервов при изменении температуры в автоклаве и соответствующее влияние на накопленную теплоемкость (Fo).

Используемый автоклав управляется цифровой системой управления, в которой используются микропроцессорный индикатор и контроллер в сочетании с программируемым логическим контроллером (ALLEN BRADLEY, SLC500). Оба устройства взаимодействуют с главным компьютером, используемым для контроля процесса (AIMAX WIN). В описании представлено аппаратное обеспечение, используемое системой управления автоклавом.

Программируемый логический контроллер управления автоклавом

Программируемый логический контроллер управляет регулировкой времени выпуска и температуры нагрева. После завершения этого этапа система управления разрешает начать этап охлаждения, вводя охлаждающую воду в автоклав. На этом этапе очень важно контролировать давление в автоклаве, чтобы избежать повреждения контейнеров с пищевыми продуктами.

Температура и давление внутри автоклава регулируются контроллером CD-600. Это оборудование способно управлять четырьмя контурами обратной связи. Блокировка автоклава осуществляется программируемым логическим контроллером SLC-500 и не позволяет автоклаву работать, если позиционный переключатель, расположенный в верхней части автоклава, не заблокирован.

Кроме того, блокировка прерывает работу автоклава в случае резкого повышения рабочего давления. Автоклав оснащен пятью датчиками температуры, которые могут быть установлены над контейнером с консервированным продуктом. Эти датчики важны для получения данных, позволяющих построить кривую теплопроводности. Для измерения давления и температуры используются электронные датчики с микропроцессором, которые обеспечивают более точные показания этих параметров процесса.

Моделирование теплового процесса стерилизации

В данной работе была использована следующая упрощенная гипотеза:

(i) температура консервов одинакова при t = 0;

(ii) температура цилиндрической емкости одинакова после t = 0 (нет различий между различными точками);

(iii) коэффициент внешней теплопередачи высок (тепловое сопротивление поверхности очень мало);

(iv) тепловая проницаемость не меняется в зависимости от времени, температуры и пространства внутри консервов;

(v) внутри контейнера нет свободного пространства.

Соображения по поводу расчетов суммарной летальности

Вычислительный алгоритм, который выполняет оптимизацию процесса стерилизации на основе расчетов летальности, выполняется совместно с программами AUTOMATE и EXCEL. Человек-оператор запускает автоматизированную программу, которая отвечает за получение данных, хранящихся на главном компьютере системы наблюдения (с помощью программного обеспечения AIMAXWIN supervision), и копирование их в электронную таблицу данных EXCEL. В следующей последовательности программа автоматизирует передачу этих данных в EES и запускает ее. EES вычисляет математическую модель и представляет результаты оператору-человеку, который будет ответственен за принятие решений о продолжении или прекращении процесса стерилизации. Программное обеспечение AUTOMATE представляет собой макроменеджер, автоматически выполняющий все шаги, указанные ниже. Структурная схема показывает поток информации, который проверяется в рамках вычислительного алгоритма.

Результаты и обсуждение

Использование вычислительного алгоритма, представленного в данной работе, позволяет измерять температуру консервированных продуктов (мясных полуфабрикатов) без использования традиционных датчиков температуры. Проверка достоверности математической модели была проведена путем сравнения результатов, полученных с помощью компьютерного моделирования, с результатами, полученными при непосредственном измерении с помощью обычного температурного датчика. Для выполнения математической модели использовался тот же температурный профиль автоклава.

Выводы

Математическая модель пригодна для использования при оптимизации процесса стерилизации консервированных продуктов с теплопроводным нагревом. Полученные результаты свидетельствуют о том, что моделируемая температура очень близка к температуре, измеряемой термодатчиком. Эта модель может быть выполнена в режиме реального времени с использованием профессиональной версии вычислительного программного обеспечения EES. Эта версия не требует использования программ AUTOMATE и EXCEL.