Какой тип системы стерилизации в автоклавах лучше всего подходит для Ваших контейнеров и продуктов?

За последние 20 лет упаковка для пищевых продуктов, устойчивая к хранению, претерпела значительные изменения: от стандартных металлических и стеклянных банок до полимерных и композитных пакетов с добавленной стоимостью, мисок, стаканчиков и подносов. Из-за такого развития событий было установлено, что обычный автоклав для погружения в насыщенный пар или статическую воду не подходит для обеспечения оптимального теплового процесса в этих новых контейнерах. Технология автоклавирования идет в ногу с эволюцией контейнеров, продвигаясь к более сложным стерилизаторам с избыточным давлением, в которых используются различные нагревающие и охлаждающие среды в сочетании с избыточным давлением для обеспечения необходимого термического процесса при сохранении целостности упаковки.

Не все автоклавы периодического действия подходят друг другу для обработки гибкой упаковки. Стандартные производственные модели автоклавов от многих современных производителей включают статическое и вращающееся пароводяное распыление, статический водяной каскад, вращающееся погружение в воду, а также модели со статическим и вращающимся паром/воздухом, которые могут работать при избыточном давлении. Для пищевой промышленности также доступны горизонтальные стерилизаторы непрерывного действия, способные обеспечивать подачу насыщенного пара или процессы с избыточным давлением при осевом вращении, и вертикальные гидростатические стерилизаторы, способные обеспечивать статическую подачу насыщенного пара или процессы с избыточным давлением.

Из-за негибкости тары и ограниченной возможности оптимизировать тепловые процессы автоклава непрерывного действия лучше всего подходят для обычных продуктов, упакованных в металлические банки (например, овощей в рассоле, кормов для домашних животных и т.д.). В данной статье мы не будем рассматривать плюсы и минусы моделей непрерывного действия из-за значительных капитальных затрат, связанных с этими установками, а также из-за того, что автоклавы периодического действия обеспечивают наибольшую гибкость при консервировании пищевых продуктов. В дополнение к старым резервным автоклавам с насыщенным паром Allpax предлагает все другие типы автоклавов периодического действия. Большинство из них доступны в виде статических моделей или моделей с перемешиванием.

Некоторые автоклавы могут работать в нескольких режимах, что не обрекает производителя продуктов питания на большие капиталовложения, возможности которых могут быть ограничены из-за различных конструкций упаковки. Возможно, в один прекрасный день вы обрабатываете металлические банки, для которых не требуется избыточное давление, а на следующий — пакеты, для которых требуется избыточное давление. Многорежимные конструкции автоклавов позволяют гибко адаптироваться к изменениям типов используемых емкостей.  Режим насыщенного пара для обработки металлических банок с двойным швом и режим распыления пара/воды с избыточным давлением для обработки гибкой упаковки.

Конструкции автоклавов с избыточным давлением

Одной из общих черт всех современных автоклавов с избыточным давлением является необходимость механического перемещения или “перемешивания” нагревательной и охлаждающей среды. Как правило, это достигается с помощью насоса для погружения в воду, пароводяных распылителей и каскадных автоклавов с водой или с помощью высокоскоростного вентилятора в случае паровоздушных автоклавов. Основная задача заключается в поддержании достаточно высокой скорости потока во всем автоклаве для обеспечения температурного равновесия. Цель состоит в том, чтобы обеспечить одинаковый температурный профиль в каждом контейнере и при этом уравновесить давление, создаваемое внутри упаковки.

Вероятно, самым важным свойством любого автоклава является ее способность обеспечивать равномерную тепловую обработку всех емкостей. Это лучше всего достигается путем направления нагревающей и охлаждающей среды параллельно основным теплопередающим поверхностям емкости. Например, основной поверхностью теплопередачи большинства цилиндрических емкостей, когда высота банки превышает диаметр, является боковая стенка емкости по сравнению с торцами контейнера. Что касается пакетов, низкопрофильных чаш и лотков, то верхняя и нижняя части этих контейнеров будут передавать большую часть тепловой энергии в контейнер. В обоих случаях оптимальный поток нагревающей и охлаждающей среды будет проходить параллельно этим поверхностям.

Итак, какой автоклав лучше всего подходит для какой упаковки? Существует ли “один автоклав, которая подходит для всех”?

Ответы на эти вопросы, безусловно, могут вызвать гнев большинства производителей автоклавов, которые ограничивают ассортимент своей продукции одним типом автоклавов. Это не является целью данной статьи. Если бы целью была политкорректность или, в данном случае, “корректность ответа”, то передача соответствующей информации не была бы достигнута. Учитывая вышесказанное, мы предлагаем свое мнение, основанное на многолетнем практическом опыте проектирования и тестирования всех типов стерилизаторов, которые сегодня имеются в продаже, а также емкостей любого типа и размера, которые только можно себе представить.

Обработка погружением в воду

Статическая версия этого типа автоклава использовалась десятилетиями, задолго до изобретения ротационных моделей. Статические версии бывают как вертикальными, так и горизонтальными. В вертикальных моделях обычно используется сжатый воздух, подаваемый на дно емкости для улучшения циркуляции и создания избыточного давления. Горизонтальные модели обычно используют насос для циркуляции технологической воды снизу вверх, при этом воздух или пар нагнетаются выше уровня воды для создания избыточного давления.

Принцип работы вертикальной модели довольно прост. В горизонтальных моделях он более сложен. В вертикальных автоклавах емкость заполняется технической водой, и перед тем, как корзины с продуктами опускаются в стерилизатор, эта вода предварительно нагревается до определенной степени. Уровень воды должен быть выше уровня самых верхних емкостей. После загрузки автоклава крышку емкости закрывают, и на дно стерилизатора подается пар, смешанный с воздухом. Как указывалось ранее, сжатый воздух, подаваемый в нижнюю часть корпуса, обладает двояким действием purpose…….to способствует циркуляции и создает избыточное давление. Эти стерилизаторы идеально подходят для цилиндрических емкостей, стоящих вертикально в корзинах, поскольку поток воды параллелен основным передаточным поверхностям емкости. Контейнеры, имеющие такие поверхности, перпендикулярные потоку воды (например, пакеты, лотки и плоские металлические банки), будут оказывать большее сопротивление потоку, и за счет этого внутри загрузки стерилизатора, как правило, будут образовываться горячие и холодные точки.

В горизонтальных моделях корзины с продуктами закатываются в пустой стерилизатор, дверца емкости закрывается, и, как правило, предварительно нагретая технологическая вода подается из отдельной емкости для хранения. Как только достигается необходимый уровень воды (выше уровня самых верхних емкостей), включается циркуляционный насос, который забирает технологическую воду со дна емкости и направляет ее через смесительную камеру, куда непосредственно подается пар, или через теплообменник, где происходит косвенный нагрев технологической воды. Затем нагретая технологическая вода подается обратно в верхнюю часть стерилизатора или через ряд впускных отверстий, окружающих корзины стерилизатора.

Создание избыточного давления в наиболее распространенных горизонтальных моделях может быть более сложным, чем в вертикальных установках. Наиболее распространенным методом создания избыточного давления является использование дополнительной емкости для хранения, встроенной в технологическую емкость. Эта вторая емкость служит двум целям. Во-первых, она используется для предварительного нагрева технологической воды до очень высоких температур, что сокращает время настаивания. Как только дверца стерилизатор закрывается, перегретая горячая вода подается в нижний технологический резервуар. Емкость для хранения рассчитана таким образом, чтобы ее емкость для удержания воды была немного больше емкости для технологического оборудования, когда оно заполнено контейнерами. После завершения перекачки предварительно нагретой воды в емкости для хранения должно остаться некоторое количество воды для обеспечения надлежащего регулирования давления. Благодаря соединительному клапану емкости для хранения и обработки остаются “соединенными” на этапах нагрева и начального охлаждения. Давление пара, превышающее уровень остаточной воды в емкости для хранения, поддерживается на требуемом избыточном давлении в технологической емкости, и это избыточное давление передается из хранилища в технологическую емкость через соединительный клапан.

В более простых типах горизонтальных стерилизаторов для погружения в воду технологическая емкость изолируется от емкости для предварительного подогрева после завершения перекачки воды. Избыточное давление в технологической емкости создается путем подачи сжатого воздуха в пространство над уровнем воды. Как только достигается необходимый уровень воды, включается циркуляционный насос, который забирает технологическую воду со дна емкости и направляет ее через смесительную камеру, куда непосредственно подается пар, или через теплообменник, где происходит косвенный нагрев технологической воды. Затем нагретая технологическая вода возвращается в верхнюю часть технологического резервуара или через ряд впускных отверстий, окружающих корзины стерилизаторов.

Большинство горизонтальных стерилизаторов для погружения в воду имеют от 1 до 3 рядов отверстий, через которые вода поступает обратно в верхнюю часть емкости. В зависимости от того, насколько хорошо эти отверстия закрывают корзины для стерилизаторов, определяется оптимальная геометрия емкости для обработки в этих стерилизаторах. Те, которые вводят воду над корзинами, лучше всего подходят для цилиндрических емкостей по той же причине, о которой говорилось в разделе «вертикальные стерилизаторы». Для горизонтальных стерилизаторов, которые имеют множество входных отверстий сверху и по бокам, геометрия упаковки становится менее сложной, при условии, что сила проникновения воды достаточна для проникновения через загрузку.

Вращение загрузки стерилизатора способствует равномерному распределению температуры внутри этих стерилизаторов за счет тщательного перемешивания технологической воды. Наиболее распространенные вращающиеся горизонтальные стерилизаторы погружного типа. Вода придает грузу плавучесть, уменьшая нагрузку на вращающийся механизм и на контейнеры (в частности, на стеклянные банки и бутылки). Вращение загрузки стерилизатора имеет много положительных преимуществ, одним из которых является улучшение теплоотдачи, поскольку система не полностью зависит от циркуляционного насоса для достижения равномерного распределения температуры внутри технологического резервуара.

Каскадная обработка воды

Этот тип стерилизаторов часто называют каскадными, струйчатыми, душевыми или дождевыми стерилизаторами, поскольку технологическая вода обливает стерилизатор.

Принцип действия прост.  Технологическая вода забирается из нижней части стерилизатора с помощью насоса, циркулирует по внешнему теплообменнику, где происходит косвенный нагрев воды, а затем перераспределяется в верхней части стерилизатора. Технологическая вода проходит через перфорированную водораспределительную пластину, расположенную в верхней части стерилизатора, и стекает каскадом в корзины для продуктов. Распределительная пластина обычно имеет ту же ширину, что и корзины стерилизатора, и ту же длину (спереди назад внутри стерилизатора), что и общая длина всех корзин при полной загрузке. Количество и размер отверстий в верхней распределительной пластине имеют решающее значение для обеспечения равномерного распределения технологической воды по всей загрузке. Кроме того, в большинстве систем 4 вертикальные стенки ретортных корзин выполнены сплошными, что помогает направлять технологическую воду через корзину. Уровень воды должен быть ниже дна корзин-реторт, а перфорированные днища корзин должны быть сконструированы таким образом, чтобы они не препятствовали прохождению воды через загрузку. Ниже приведено простое изображение этого стерилизатора.

Исходя из того, что теплопередача оптимизируется, когда поток нагревающей и охлаждающей среды параллелен основным передающим поверхностям контейнера, эти стерилизаторы идеально подходят для цилиндрических емкостей (консервных банок и стеклянных банок), стоящих вертикально в корзине для стерилизаторов. Контейнеры, поверхности которых расположены перпендикулярно потоку льющейся каскадом воды (например, пакеты, лотки и плоские металлические банки), будут оказывать большее сопротивление потоку, и в результате внутри загрузки стерилизаторы могут образоваться горячие и холодные точки.

Кроме того, в этих стерилизаторах из-за динамики потока и того факта, что технологическая вода нагревается снаружи, емкости, расположенные в верхней части корзин, нагреваются быстрее, чем те, что расположены в нижней. Когда нагретая вода поступает в корзину, первые емкости, которые соприкасаются с этой водой, поглощают большую часть тепловой энергии. По мере того как вода стекает вниз по корзине, для емкостей, расположенных на дне корзины, остается все меньше тепловой энергии, особенно во время подъема и ранней стадии приготовления. Во время охлаждения верхние контейнеры охлаждаются быстрее, чем нижние, поэтому происходит некоторое “уравновешивание” тепла, получаемого всеми контейнерами. Однако для тех предприятий, которые при определении продолжительности термического процесса, необходимого для обеспечения стерильности в промышленных условиях, используют только нагревание, контейнеры, расположенные в верхней части корзины, наверняка будут подвергнуты дополнительной термической обработке, прежде чем нижние контейнеры достигнут требуемой летальности.

Обработка паром/воздухом

По различным техническим причинам и, следовательно, по причинам, приемлемым для FDA, этот тип стерилизаторов не является распространенным в США, хотя они довольно распространены в Европе и других частях мира..

Как и в случае с стерилизаторами с водяным каскадом, принцип действия относительно прост.  Пар подается в нижнюю часть емкости и выпускается через верхнюю часть для удаления большей части остаточного воздуха.  Регулирование избыточного давления осуществляется путем подачи сжатого воздуха в корпус и удаления избыточного давления из корпуса.  Конденсат, образующийся в результате передачи тепла, отводится со дна корпуса стерилизатора.

Отличительной особенностью паровоздушных стерилизаторов является использование высокоскоростного вентилятора для циркуляции паровоздушной смеси. Это чрезвычайно важная функция для поддержания однородной смеси пара и воздуха, поскольку при нарушении циркуляции воздушные пробки могут изолировать контейнеры в загрузке. Это может привести к неполной обработке данных.

Наиболее распространенные паровоздушные модели оснащены одним высокоскоростным вентилятором, установленным на одном конце стерилизатора. В этих стерилизаторах паровоздушная смесь подается к вентилятору, а затем вытесняется обратно к противоположному концу корпуса стерилизатора за сплошными перегородками, которые закрывают боковые стенки корзин стерилизатора. Как только смесь достигает торца корпуса, противоположного вентилятору, куполообразная торцевая крышка выталкивает пар/воздух обратно через корзины стерилизатора к вентилятору. В этих стерилизаторах поток паровоздушной теплоносителя проходит горизонтально или параллельно верхней и нижней частям корпуса стерилизатора.

В большинстве моделей паро-воздушных стерилизаторов с горизонтальным потоком 4 вертикальные стенки корзин открыты, что обеспечивает беспрепятственный поток теплоносителя. Поскольку поток осуществляется горизонтально, эти стерилизаторы идеально подходят для “плоских” емкостей. Пакеты, низкопрофильные лотки и банки являются наиболее подходящими типами емкостей для данного типа стерилизаторов.

В некоторых паровоздушных стерилизаторах для циркуляции теплоносителя используется несколько вентиляторов, по одному над каждой корзиной. Пар подается под корзины стерилизатора, а направление потока — вертикальное (снизу вверх, по направлению к вентилятору).  Как и стерилизаторы с водяным каскадом, эти стерилизаторы идеально подходят для цилиндрических емкостей (консервных банок и стеклянных банок), стоящих вертикально в корзине для стерилизаторов. Контейнеры, основные поверхности теплопередачи которых расположены перпендикулярно потоку технологической среды (например, пакеты, лотки и плоские металлические банки), будут оказывать большее сопротивление потоку, и за счет этого внутри загрузки стерилизаторы могут образовываться горячие и холодные точки.

При использовании любой из паровоздушных стерилизаторов, с горизонтальным или вертикальным потоком, сторона корзины, ближайшая к точке выпуска пара из парораспределителя (ов), как правило, нагревается быстрее, поскольку контейнеры, расположенные вдоль этой стороны, первыми подвергаются воздействию тепла. Поскольку паровоздушная смесь проходит через корзину, тепловая энергия, выделяемая контейнерами с противоположной стороны от входа пара в корзину, уменьшается.  Как и в моделях с водяным каскадом, температура в конечном итоге выравнивается в начале процесса приготовления.

Обработка паром/водяной струей

Как и в случае со стерилизаторами с водяным каскадом, принцип их работы довольно прост.  Технологическая вода заливается в нижнюю часть стерилизатора до уровня полости (т.е. днища) под корзинами.  Если в этой зоне установлен распределитель пара для предварительного подогрева, то перед закрытием дверцы и началом процесса воду можно подогреть до температуры, предусмотренной рецептурой. Если в трюмной зоне нет распределителя пара, то процесс начнется с воды комнатной температуры, которая находится в трюмной зоне или подается в нее.

Технологическая вода забирается со дна стерилизатора с помощью насоса и либо непосредственно нагревается паром через парораспределитель (ы) по всей длине емкости, расположенный под загрузкой продукта в емкость, либо косвенно через теплообменник.  Затем технологическая вода распределяется по ряду распределительных трубок, расположенных вокруг ретортных корзин, которые оснащены множеством распылительных форсунок вентиляторного типа.  Компания предлагает как непрямой, так и прямой нагрев рабочей среды.

Когда нагрев осуществляется путем прямого впрыска пара в корпус стерилизатора, турбулентность, создаваемая водой, выходящей из распылительных форсунок, смешивает паровую и воздушную среду, образуя однородную теплоноситель.

Точно так же, как паровоздушные стерилизаторы используют часть воздуха, содержащегося внутри стерилизатора, когда дверца закрыта и при нагревании начинает создаваться избыточное давление, так и стерилизаторы с водяным распылением используют часть воздуха, содержащегося внутри стерилизатора. Регулирование избыточного давления осуществляется либо путем сброса избыточного давления из корпуса, либо путем подачи в него сжатого воздуха.

Особенностью стерилизатора с водяным распылением является ее способность забирать технологическую воду и турбулентно разбрызгивать ее по всей поверхности стерилизатора. Вода поступает обратно в технологическую камеру через специально разработанные форсунки, которые “распыляют” ее на очень мелкие капли. Форма распыления из форсунок обычно коническая, и это создает перекрывающиеся формы распыления по всей поверхности стерилизатора. В правильно спроектированных стерилизаторах для распыления воды практически отсутствуют мертвые зоны, как показано ниже.

Ранние модели обычно имели 1-3 распределительных патрубка, подвешенных над корзинами стерилизатора, с распылительными форсунками, расположенными на расстоянии ~ 6-12 дюймов друг от друга, которые направляли струю через верхнюю часть загрузки стерилизатора.

Стерилизаторы для распыления воды позволяют устанавливать индивидуальное количество и расположение распределительных трубок и распылительных форсунок в зависимости от типа и ориентации контейнера, которые обычно охватывают загрузку с трех сторон для максимального проникновения рабочей среды и, таким образом, обеспечивают оптимальное распределение температуры.

Охлаждение, как правило, осуществляется через внешний пластинчатый и каркасный теплообменники, и, опять же, обычно охлаждающая среда поступает с 3-х сторон корзины стерилизатора, что сводит к минимуму возникновение горячих точек, которые могут возникнуть при однонаправленном потоке охлаждающей среды.

Горизонтальное возвратно-поступательное перемешивание

Термический процесс и качество готовой продукции для некоторых контейнеров и продуктов может быть значительно улучшено за счет перемещения загрузки контейнера во время технологического цикла. Перемещение или перемешивание загрузки контейнера приводит к конвекционному нагреву продукта внутри контейнера. Уровень конвекции зависит от свободного пространства внутри контейнера, вязкости продукта, геометрии контейнера, ориентации контейнера и типа перемещения груза в контейнере.

Один из наиболее распространенных видов обработки порционных стерилизаторов с принудительной конвекцией использует вращение контейнеров «из конца в конец» (EOE). Исторически сложилось так, что металлические банки, стеклянные баночки и полимерные емкости выигрывают от вращения EOE из-за простоты управления свободным пространством, а жесткость контейнера помогает поддерживать это свободное пространство. Однако некоторые упакованные продукты, подвергнутые вращению с более низкой скоростью (<10 об/мин), показывают, что продукты в этих контейнерах также могут извлекать выгоду из вращения EOE при условии надлежащего контроля свободного пространства (обычно измеряемого как уровень остаточного газа).

В технологическом режиме EOE жесткие цилиндрические контейнеры обычно устанавливаются вертикально внутри корзин стерилизатора и вращаются, как показано ниже.

Ротор внутри стерилизатора вращает корзины из конца в конец со скоростью от 2 до 25 оборотов в минуту.  Это приводит к тому, что пузырьки воздуха внутри контейнера перемещаются от стенок контейнера к центру, что приводит к тщательному перемешиванию горячих и более холодных областей. Смешивание значительно сокращает время, необходимое для получения стерильного продукта. По сравнению со статическими методами обработки, технологические процессы могут быть сокращены на целых 60%.

Технология EOE, как правило, лучше подходит для процессов погружения в воду, поскольку вода придает загрузке стерилизатора плавучесть, а это частично снимает нагрузку с емкостей, приводного механизма и опорных роликов, поддерживающих вставку и загружаемый в нее продукт.

Горизонтальное возвратно-поступательное перемешивание — это еще один способ принудительной конвекции продукта внутри контейнера. Это относительно новая технология, при которой горизонтально ориентированные контейнеры, такие как пакеты или лотки, устанавливаются на лотки, которые укладываются друг на друга в виде куба.  После загрузки в стерилизатор кубики совершают возвратно-поступательные движения вперед и назад, что способствует перемешиванию продукта внутри контейнеров.  Стерилизаторы с плавным перемещением способны совершать возвратно-поступательные движения со скоростью от 0 до 60 ходов вперед и назад в минуту. 

Резюме

Стерилизатор, как правило, является одним из самых дорогих элементов оборудования на перерабатывающем предприятии и, как правило, самым долговечным. Мы часто видим стерилизаторы, которые используются уже более 40 лет.  В современной быстро меняющейся рыночной отрасли, где внешний вид и удобство — это все, производственные предприятия часто понятия не имеют, какие продукты и тара ждут их за ближайшим углом.  По этим причинам многие компании выбирают стерилизаторы периодического действия из-за присущей им гибкости (по сравнению с системами непрерывной стерилизации или асептическими системами) и чаще всего выбирают многорежимные ретортные системы, чтобы максимально повысить гибкость процесса стерилизации периодического действия.