Термическая стерилизация консервов широко применяется в пищевой промышленности. Этот метод обеспечивает микробиологическую безопасность продуктов, помогает определить их вкусовые качества и сохранить полезные вещества. Однако стерилизация требует значительного количества энергии, что сказывается на стоимости конечного продукта и воздействии на окружающую среду. В этой статье мы представляем экспериментальное исследование энергетического баланса в вертикальном паровом автоклаве в переходном состоянии на стадии вентилирования при начальной температуре продукта 4 °C и размере контейнера 63,5 × 30,16 мм. Мы провели эксперименты в соответствии с протоколом проведения исследований распределения температуры, разработанным Институтом специалистов по термической обработке (IFTPS). Кроме того, с помощью метода эвристической оптимизации мы определили оптимальную программу вентиляции для процесса и его энергоэффективность. Общее потребление энергии составило 32,5 МДж; тепловой КПД процесса — 43,88%; потери через стенки, дренаж, вентиляцию и продувку — 27,82%; энергия, необходимая для нагрева автоклава и арматуры, — 22,91%; и другие потери — 7,0%. Кроме того, мы изучили явления, связанные с процессом стерилизации, чтобы предложить стратегии снижения энергопотребления.
Вступление
Стерилизация в автоклавах, предназначенных для периодической или непрерывной обработки, является старейшим методом, используемым в консервной промышленности. В зависимости от теплоносителя различают автоклавы для погружения в воду, для распыления воды и автоклавы с насыщенным паром. Последний тип наиболее широко используется в промышленном секторе благодаря своей низкой стоимости, гибкости и простоте адаптации к небольшим объемам производства [1].
Процесс стерилизации в вертикальных автоклавах с насыщенным паром включает пять этапов: слив, вентиляция, выдержка и охлаждение. Первые три этапа можно объединить в единый процесс, известный как программа вентиляции [2], где каждый из них играет решающую роль. Таким образом, разработка соответствующей программы вентиляции необходима для обеспечения микробиологической безопасности и тепловой эффективности.
Основной целью такой программы вентиляции является полное удаление воздуха из автоклава, поскольку воздух действует как теплоизолятор, который создает холодные пятна и препятствует достижению минимальной температуры стерилизации в оборудовании [3]. Как только оборудование соответствует условиям, необходимым для стерилизации, начинается фаза выдержки, которая гарантирует, что продукт достигнет желаемой температуры приготовления и стерилизации за счет сочетания температур от 116 °C до 121 °C и заданного времени. Такое сочетание позволяет нам добиться термической летальности, в основном для уничтожения спор Clostridium botulinum и многих других микроорганизмов. В результате производимый продукт безопасен для употребления в пищу. Чем выше температура, тем меньше требуемое время выдержки, что приводит к значительным изменениям в потреблении энергии [4]. Такое сочетание времени и температуры должно обеспечивать минимальное значение термической летальности (Fo) для мясных продуктов, равное 6,0 мин [5]. Наконец, процесс стерилизации завершается этапом охлаждения, при котором учитываются критерии микробиологической безопасности и целостности контейнера.
В последние десятилетия настоятельная необходимость снижения энергопотребления поставила под угрозу проектирование и эксплуатацию промышленных процессов из-за более высоких затрат на энергию, воздействия на окружающую среду, роста численности населения во всем мире и увеличения потребления обработанных пищевых продуктов [6]. В 2010 году мировой промышленный сектор потреблял около 58 кВт*ч электроэнергии, и Международное энергетическое агентство (МЭА) прогнозирует, что это потребление энергии будет постоянно увеличиваться и достигнет 88 кВт*ч к 2040 году, что составляет около 37% мирового потребления энергии [7].
Согласно многочисленным литературным исследованиям, в вертикальных автоклавах 30-40% тепловой энергии используется на стадии стерилизации, а остальная часть — на стадии вентилирования [1,6,8]. Некоторые авторы также сообщают, что при одновременной работе нескольких автоклавов периодического действия возникает нежелательный пик потребления энергии [9]. Учитывая вышеизложенное, важно понимать явления массо- и теплопередачи, связанные с вертикальными автоклавами, чтобы найти способы снизить их энергопотребление на стадиях, предшествующих стерилизации, без ущерба для безопасности или качества продуктов.
Проведение новых экспериментальных исследований, направленных на снижение энергопотребления, остается сложной задачей для научного сообщества. Тем не менее, с этой целью были проведены численные исследования. Например, Симпсон и др. [10] разработали математическую модель для оценки общего и временного энергопотребления при термической обработке консервов. Они получили, что повышение начальной температуры продукта на 1°C снижает энергопотребление на 0,8%.
Более того, в работе [11] была предложена численная модель для моделирования процессов массо- и теплопередачи в промышленном автоклаве для распыления воды. Их исследование показало, что наибольшие потери тепла во время всего процесса стерилизации были связаны со стенками и составили 35% от общего энергопотребления. Они также обнаружили, что изоляция наружных стенок автоклава может снизить эти теплопотери на 10,5%, а изоляция ее внутренних стенок — на 35%. Кроме того, на основе результатов экспериментов они получили хороший прогноз температуры и давления внутри автоклава во время цикла стерилизации.
С экспериментальной точки зрения, в литературе имеются ограниченные данные об индивидуальном поведении стадии вентиляции в переходном состоянии [9]. Поэтому целью данного исследования является экспериментальная оценка такой стадии процесса стерилизации с помощью тестов распределения температуры и баланса массы и энергии. Кроме того, на основе полученных данных в данной работе определен коэффициент равномерности температуры, позволяющий получить ценную информацию о температурных характеристиках автоклава в переходный период.
Методология. Вертикальный автоклав
Оборудование, использовавшееся в испытаниях, состояло из 100-литрового неизолированного вертикального автоклава с насыщенным паром (VSSR) производства All American®. Этот VSSR имеет диаметр 0,46 м, площадь внешней поверхности 1356 м2 и объем 0,113 м3. Изготовленный из углеродистой стали (0,5% углерода), он имеет высоту 0,66 м и весит 103,68 кг. Оборудование показано на рис. 1.
Установка VSSR была оснащена необходимыми приборами для проведения испытаний в соответствии с рекомендациями по проектированию вертикальных колонок, разработанными Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) и Министерством сельского хозяйства США (USDA). Для оценки общего и индивидуального (для каждой стадии) расхода пара в процессе стерилизации был установлен расходомер Spirax Sarco TVA. Этот расходомер измеряет усилие, возникающее при отклонении конуса со специальным профилем, который определяет расход пара в минимальном и максимальном диапазонах. Такое механическое отклонение преобразуется в электрический сигнал с выходной мощностью 4-20 мА и импульсный сигнал, пропорциональный массовому расходу пара, с компенсацией плотности. Что касается погрешности измерения, то в диапазоне от 10% до 100% от максимального расхода погрешность составляет ±2%, а в диапазоне от 2% до 10% — ±0,2%.
Приготовление продукта
Мы использовали партию алюминиевых банок размером 63,5 × 30,16 мм (208 × 109), то есть диаметром два дюйма и восемь шестнадцатых дюйма и высотой один дюйм и девять шестнадцатых дюйма соответственно. Эти банки были заполнены водой комнатной температуры, герметично закупорены с помощью двойной закатки, а затем охлаждены при начальной температуре продукта 4°C, которая обычно используется при переработке мясопродуктов. Затем они были загружены в круглую корзину типа «беличья клетка» и распределены слоями, в общей сложности получилось 9 слоев и 297 банок. Эти слои были разделены круглыми разделительными листами с отверстиями диаметром 9,5 мм. Такая схема перфорации обеспечивает площадь перфорации 32,46%. Наконец, температура, при которой был закрыт сливной клапан (TDVC), была установлена на уровне 105°C.
В этом исследовании мы оценивали влияние начальной температуры продукта (IPT) на расход пара на стадии вытяжки. Мы использовали три IPT, а именно 4, 25 и 50 °C, которые подходят для широкого спектра видов обработки продуктов. Важно отметить, что в нашем исследовании в качестве базовой использовалась температура 4 °C, и с помощью этой температуры была проведена подробная характеристика баланса массы и энергии. Эксперименты по определению расхода пара при каждом температурном режиме проводились в трех экземплярах.
Распределение и измерение температуры для определения программы вентиляции
Мы применили метод эвристической оптимизации для разработки программы вентиляции и определения наиболее подходящих параметров для нее, т.е. температуры и времени, при которых должен быть закрыт вентиляционный клапан, а также времени достижения температуры стерилизации (стадия, известная как отключение). Это итеративный процесс, в котором информация о каждом эксперименте используется для подготовки следующего, и обычно отраслевые органы, ответственные за процессы, задают начальные условия. Параметры: температура и время, при которых должен быть закрыт выпускной клапан, а также время отключения важны для обеспечения полного удаления воздуха, обеспечения равномерности температуры внутри автоклава на начальных этапах и обеспечения того, чтобы все продукты достигали температуры, которая уничтожает все микроорганизмы, в основном Clostridium botulinum (Cb) споры. Например, продолжительность приготовления консервированных венских сосисок составляет Fo = 6,0 мин, что гарантирует ботулиническую обработку и коммерческую стерильность. В общей сложности мы провели четыре теста для определения этих параметров и три повтора с полученными значениями для расчета стандартного отклонения результатов.
Мы исследовали распределение температуры с помощью 16 медно‒константановых термопар типа Т с максимальной погрешностью 0,5°C. Как показано на рис. 2, мы распределили 14 термопар по девяти слоям, и 2 из них разместили в приемнике автоклава или корпусе прибора рядом с датчиком Pt100 системы автоматического управления. Кроме того, на рис. На рис. 2 показан вид сверху на пять зон в автоклаве, позволяющий определить точное расположение каждой термопары в каждом слое. В каждый слой мы загрузили по 33 банки в форме круга или кольцеобразной формы, что составило в общей сложности 297 банок в корзине. Мы разместили 16 термопар на внешней поверхности контейнеров, а семь дополнительных термопар — в геометрическом центре продукта (воды).
Энергетический баланс
Используя анализ энергетического баланса, мы определили входные и выходные данные исследуемого контрольного объема. В таблице 4 приведены данные о расходе тепловой энергии (кДж) на компоненты системы и тепловых потерях. В первом столбце перечислены входы и выходы системы; во втором столбце приведены энергетические показатели в кДж; а в третьем столбце — процент (%) энергии, поступившей в систему и покинувшей ее.
Энергия, поступившая в систему в виде пара, составила 32 516,38 кДж со стандартным отклонением 750,00 кДж; для этого расчета мы использовали массовый расходомер Spirax Sarco TVA. В таблице 4 представлены данные трех отдельных повторений или тестов, которые мы провели, чтобы конкретно рассчитать тепловую эффективность процесса в условиях, указанных в таблице 1.
От самого высокого до самого низкого энергопотребления мы обнаружили, что энергия, необходимая для нагрева продукта и контейнера, составила 14 268,48 кДж (43,88% от общего энергопотребления), а для нагрева автоклава, корзины и разделительных листов — 7457,29 кДж (22,93%). Потери тепла через стены были оценены в 5552,21 кДж (17,08%), а потери, связанные со стадиями дренажа, вентиляции и продувки, — в 3292,02 кДж (10,12%). Наконец, энергия, накопленная в конце этапа резки, составила 798,44 кДж (2,46%). Если вычесть энергию, которая уходит, из энергии, которая поступает в систему, мы получим дисбаланс в 1147,35 кДж, что составляет 3,53% от общего потребления энергии.
Распределение энергии в таблице 4 представлено на рис. 4. 5 с использованием диаграммы Сэнки, которая показывает, что полезная тепловая эффективность программы вентиляции составила 43,88%. Мы не можем сравнить наблюдаемую тепловую эффективность этой программы вентиляции с другими результатами, полученными в литературе, поскольку мы не нашли специальных исследований, которые были бы сосредоточены на такой конкретной программе в вертикальных автоклавах.
Для получения дополнительной информации о том, как потреблялась энергия во время выполнения программы вентиляции, на рис. 6 показан переходный энергетический баланс. Красная линия показывает потребление тепловой энергии в виде насыщенного пара. В течение первых 2 минут большое количество энергии расходовалось на нагрев автоклава, корзин и разделительных листов. Затем энергия в основном расходовалась на продукт, то есть на воду внутри банок. Поскольку энергия, потребляемая в этих процессах, была в виде ощутимого тепла, профили на фиг. На рис. 6 показано значительное повышение температуры в автоклаве, корзинах и разделительных листах, а также в продукте перед началом первых 3 мин работы. Впоследствии повышение температуры было менее заметным, и, следовательно, для этих процессов требовалось меньше энергии.
После этого произошло снижение энергопотребления (красная линия), поскольку сливной клапан был закрыт через 4 мин и 45 с, выпускной клапан также был закрыт, и разница температур между заданной температурой стерилизации (121,1 °C) и температурой продукта снизилась. Другими словами, энергия, необходимая для начала процесса стерилизации, уже была подана, а оставшаяся потребность в энергии была связана с потерями тепла через стенки и потерями, связанными с продувкой; эта потребность в энергии была очень низкой по сравнению с той, которая требовалась остальной системе.
Затем, между 6-й и 8-й минутами, произошло небольшое увеличение потребности в энергии, в основном из-за увеличения количества энергии, поступающей в систему, и низкого сопротивления нагрузки ее поглощению, поскольку была достигнута максимальная температура стерилизации (121,1 °C).
Эти результаты актуальны, поскольку мы экспериментально оценили входной переходный тепловой поток и переходную потребность в энергии во время выполнения программы вентиляции для каждого из компонентов, составляющих исследуемую систему управления, и предложили метод расчета потерь тепла, связанных с вентиляцией, дренажем и продувкой. Кроме того, мы непосредственно оценили тепловую энергию, поступающую в контрольный объем, используя самую современную технологию, которая позволила с большей точностью рассчитать массовый расход на входе.
Симпсон, Кортес и Тейшейра [10] сообщили о численных результатах, которые хорошо согласуются с нашими. Они оценили переходный коэффициент расхода пара в вертикальных автоклавах с тремя режимами варки (5, 10 и 15 мин), используя численные методы, и рассчитали общую пиковую потребность при каждом режиме варки. Однако они не детализировали распределение потребности в энергии по компонентам на этапе варки.
Основываясь на этих результатах, мы можем рекомендовать некоторые стратегии снижения энергопотребления, такие как повышение начальной температуры продукта и/или всего автоклава и ее технологического оборудования, что может быть возможно с использованием отработанного тепла [6,10]. Последние могут быть использованы в процессах вентиляции, осушения и продувки для первоначального нагрева продукта. В этом исследовании количество энергии, потраченной впустую, было подсчитано и составило 10%, что представляет собой значительную величину для данного типа промышленных процессов. Более того, мы обнаружили, что максимальный разброс температур, определяемый значениями Rtu, совпадает с увеличением потребления, когда энергия используется в основном для нагрева автоклава и ее арматуры, как видно на рис. 4, рис. 6. Повторное использование отработанного тепла в процессе может помочь уменьшить этот разброс. температурный разброс на начальном этапе и при максимальном потреблении энергии, а также для получения более однородных свойств консервов. Другой стратегией было бы рассмотреть другие типы материалов и их массу внутри автоклава, чтобы снизить затраты энергии на их нагрев.
Поскольку пиковая потребность в энергии возникает на этапе вентилирования (из-за высокой потребности в нагреве продукта, автоклава и его арматуры), автоклав должен работать по поэтапному графику, чтобы в любой момент времени вентилировалась только один автоклав, чтобы минимизировать указанную пиковую энергию. Как следствие, профиль трудозатрат при загрузке автоклавов будет соответствовать профилю энергозатрат. Повышение начальной температуры продукта может в определенной степени снизить пиковую энергию. В следующем разделе мы экспериментально исследуем эту альтернативу.
Влияние начальной температуры продукта на потребление энергии
Сравнивается расход пара при различных начальных температурах продукта (4, 25 и 50 °C). Следует отметить, что при заданной температуре продукта весь автоклав и его принадлежности должны нагреваться до этой температуры для достижения теплового равновесия. В этом исследовании начальные температуры были достигнуты с использованием воды комнатной температуры со льдом в качестве охлаждающей среды (IPT, 4 °C) и насыщенного пара в качестве нагревающей среды (IPTs, 25 и 50°C). Инжир. на фиг. 7 показано, что, как и ожидалось, расход пара уменьшается с повышением температуры. При снижении температуры с 50 до 25°C расход пара снижается на 11,7%, а при снижении температуры с 50 до 4°C — на 30,1%. Очевидно, что IPT является важной переменной для снижения энергопотребления на этапе вентиляции в процессе стерилизации пищевых продуктов.
Разработали модель и сообщили, что изменение начальной температуры может снизить пиковую потребность в энергии примерно на 25-35% в течение всего процесса стерилизации. В их исследовании использовались начальные температуры 37,8 и 75 °C. Здесь мы экспериментально демонстрируем, что на этапе вентиляции можно добиться снижения энергопотребления на 11-30%. Несмотря на различия в температурном диапазоне, мы сравнили снижение энергопотребления при повышении температуры C в обоих исследованиях. Мы предполагаем, что потребление происходит линейно, как показано на рис. 7. В этом смысле, согласно нашему исследованию, дополнительное повышение температуры исходного продукта на градус Цельсия снижает общий расход пара на 0,56-0,85%. Для сравнения, такое значение в исследовании [10] составляет приблизительно 0,8%, что согласуется с данными, которые мы представили. Хотя экспериментальные и модельные оценки находятся в одном диапазоне и хорошо согласуются, мы должны отметить, что это исследование сосредоточено только на процессе вентиляции. Таким образом, потребление энергии, указанное в ссылках. [10] немного выше, чем в настоящей статье, поскольку в них также рассматривался этап стерилизации. Однако оба исследования хорошо описывают критическое изменение потребности в энергии на этапе вентиляции.
В таблице 5 представлена полезная информация о термическом процессе, полученная на основе данных теста распределения температур. При повышении начальной температуры продукта с 4 до 25°C или с 4 до 50°C максимальное значение Rtu резко снижается до 63,2% и 82,9% соответственно. Время получения нулевого значения Rtu также сокращается на 16,7% при температуре IPT в диапазоне от 4 до 25°C и на 33,3% при температуре от 4 до 50°C. Кроме того, максимальное значение Rtu наступает позже по времени. Эта информация показывает, что кривая температурной дисперсии выравнивается, и, следовательно, с увеличением IPT значительно повышается температурная гомогенизация. Практическое значение этого заключается в том, что можно избежать пиков энергопотребления и сократить время обработки и энергозатраты. Несмотря на то, что влияние изменения температуры на потребление энергии является достаточно постоянным, необходимы дальнейшие исследования для оценки органолептических свойств и сохранения витаминов в продукте при изменении начальной температуры.
Промышленное приближение
Результаты экспериментального исследования могут быть применены в более широком масштабе для повышения энергоэффективности. В частности, исследуемый автоклав используется в промышленности для расчета времени и степени летальности, необходимых для стерилизации. Эти измеренные параметры могут быть сопоставлены с промышленными автоклавами.
Для получения дополнительной информации результаты опытного испытания автоклавы были подтверждены промышленным процессом. Параметры эксперимента в промышленном и опытном масштабе были одинаковыми: тип продукта, размеры банок, время выдержки, IPT, TDVC и использование насыщенного пара. Энергия измерялась на каждой стадии процесса, а затем они сравнивались.
В таблице показан вклад энергопотребления в программу вентиляции как для автоклавов, так и для промышленных установок. Процент энергопотребления для программы вентиляции и выдержки в автоклавах был очень схожим, например, 95,00 и 95,05% для камер вентиляции и 5,00 и 4,95% для камер выдержки. Эта информация показывает, что, несмотря на различия в размерах автоклава и потребляемой энергии (22,06 и 321,72 МДж), результаты в обоих случаях показали очень высокое потребление энергии на стадии вентилирования. Кроме того, удельный расход, определяемый как соотношение энергии и количества банок, составил 0,0744 для опытного автоклава и 0,0785 для промышленного автоклава. Выше показано, что результаты опытной проверки могут быть применены к автоклавам других размеров.
Выводы
В этом исследовании мы экспериментально охарактеризовали процесс вентиляции в вертикальном автоклаве, чтобы понять его влияние на общее энергопотребление оборудования и предложить практические альтернативы для повышения его тепловой эффективности. Основываясь на понимании явлений тепло- и массообмена, мы можем заключить, что потребление тепловой энергии на стадии вентиляции тесно связано с ощутимым потреблением тепла системой. Что касается характеристики тепловой эффективности автоклава, то самые высокие затраты были связаны с полезной энергией, накопленной в продукте (43,88% от общего энергопотребления); энергией, необходимой для нагрева резервуара автоклава и технологического оборудования (22,91%); потерями через стенки (17,05%); и потерями, связанными с потреблением тепла. связанные с вентиляцией, дренажем и продувкой (10,12%).
Наконец, мы определили коэффициент равномерности температуры (Rtu), который учитывает тепловые характеристики автоклава. Он четко показывает временный разброс температур контейнера и продуктов. Когда насыщенный пар поступает в автоклав, он удаляет воздух комнатной температуры, и получаются самые высокие значения Rtu. Затем Rtu приближается к cero и обеспечиваются условия для стерилизации продукта. Максимальные значения Rtu в основном совпадают с потреблением энергии, необходимым для нагрева автоклава и ее арматуры (22,91%). Поскольку потребление энергии на этапе вентиляции тесно связано с потребляемым ощутимым теплом, адекватными являются стратегии обеспечения однородности температуры (например, увеличение IPT). На самом деле, потребление энергии снизилось до 30,1% при повышении начальной температуры продукта с 4 до 50°C. Будущие исследования будут посвящены оценке влияния применения стратегий термической эффективности на органолептические свойства продуктов.