В условиях рыночной экономики позиция компании на рынке определяется уровнем конкурентоспособности. Это связано с двумя критериями — ценой и уровнем качества производства. Второй фактор постепенно приобретает все большее значение. Внимание к этому фактору является необходимым условием выживания и устойчивого развития компании. Обычный потребитель ожидает систематического обновления ассортимента продукции и улучшения ее потребительских свойств. Одним из популярных продуктов являются консервы.
Термическая обработка — ключевой процесс, определяющий их безопасность и качество. Несмотря на долгую историю, термическая обработка сырья продолжает стремительно развиваться и в будущем останется популярной благодаря своему удобству и длительному сроку хранения [1, 2]. Термическая обработка продуктов традиционно осуществляется следующим образом [2]. Герметично закрытые банки с продуктом помещают в стерилизационную камеру автоклава. После этого температуру нагревательной среды повышают до заданного уровня температуры стерилизации.
В качестве нагревательной среды можно использовать водяной пар или воду. Температура стерилизации поддерживается в течение определенного периода времени, после чего ее понижают, и по достижении определенного уровня банки выгружают из стерилизационной камеры. Соотношение температуры и времени стерилизации определяет микробиологическую эффективность процесса, который характеризуется летальностью. Следовательно, режим стерилизации консервов представляет собой совокупность таких факторов, как продолжительность этапов тепловой обработки, температура теплоносителя, давление в автоклаве на этапах стерилизации и охлаждения и нормативная летальность.
Обоснование
Анализ существующих режимов стерилизации различных видов консервов показывает, что в ряде случаев установленные температурно-временные режимы стерилизации приводят к значительному превышению нормативной летальности. Процесс стерилизации консервов требует нахождения компромисса между полезным и вредным воздействием высоких температур на продукт. С одной стороны, термическая обработка инактивирует споры, микроорганизмы и ферменты, которые присутствуют в пищевых продуктах и оказывают негативное влияние на здоровье потребителя и безопасность продукции.
В то же время снижается концентрация питательных веществ, неустойчивых к воздействию высоких температур (таких как белки и витамины – ретинол, тиамин, фолиевая кислота, аскорбиновая кислота, кальциферол и другие) [3]. По этой причине важной задачей для исследователей является поиск оптимальных температурно-временных режимов тепловой стерилизации, которые одновременно обеспечивали бы достижение требуемой степени инактивации микроорганизмов — с точки зрения «нормативного стерилизационного эффекта (микробиологической летальности)», сохранения биологически активных лабильных веществ продукта, энергозатрат и сокращение продолжительности процесса стерилизации [4-6].
Разработка новых и совершенствование существующих режимов тепловой обработки консервов является важной задачей рыбной отрасли России. В настоящее время производители консервированной продукции используют современное стерилизационное оборудование и фасовочные единицы, которые требуют создания соответствующих режимов стерилизации. Однако процесс разработки и обоснования новых режимов является трудоемким, требует значительных энергетических, временных и, как следствие, материальных затрат. Поэтому разработка информационных технологий для оптимизации этого процесса является весьма актуальной.
Этапы разработки режима термообработки
Как правило, процесс разработки режимов стерилизации консервов занимает много времени и состоит из нескольких этапов: предварительного отбора, лабораторных испытаний с последующим производственным контролем, регистрации, согласования и утверждения. На этапе лабораторных испытаний проверяется примерный режим стерилизации продукта, выбранного на предыдущем этапе, путем посева культуры термостойких микроорганизмов в продукт с последующим тестированием на: — отсутствие тест-микроорганизма в консервах; — достижение фактической летальности (Ff) выше нормативной (Fn); — соответствие консервов требованиям промышленной стерильности; — сохранение физико-химических и органолептических свойств продукта, предусмотренных нормативной документацией.
При соблюдении этих условий текущий режим стерилизации консервов рекомендуется использовать для производственного контроля. На этапе производственного контроля выпускается опытная партия, состоящая не менее чем из тысячи «физических» банок. После этого данную партию подвергают полному контролю, удаляя консервы, имеющие дефекты, составляют акт разработки опытной партии и помещают ее на хранение не менее чем на 90 дней в соответствии с условиями нормативной документации. По окончании процесса хранения опытная партия проходит испытания таким же образом, как и при лабораторных испытаниях. Когда соблюдены необходимые условия промышленной стерильности и летальности, проводятся процедуры регистрации, согласования и утверждения режима стерилизации. Только после этого разработанный режим передается для дальнейшего использования в производственном процессе.
Теоретическая модель процесса
Наиболее длительным и дорогостоящим этапом разработки режима стерилизации является его предварительный выбор. Продолжительность дальнейших этапов разработки режима стерилизации зависит от выбора примерного режима стерилизации консервов из гидробионтов. Снижение затрат при предварительном отборе позволяет сэкономить достаточное количество времени и инструментов разработчика режимов стерилизации консервов на пищевом производстве. Очевидно, что это возможно только путем получения модели процесса, представляющей собой набор моделей автоклава (стерилизационной камеры) и температуры продукта.
Использование адекватных моделей позволяет сократить количество пробных автоклавирований, а также временные, материальные и энергетические затраты на их проведение и создать оптимальный температурно-временной режим термообработки, обеспечивающий достижение требуемой летальности [5]. Математические модели тепловых процессов в стерилизационной камере автоклава и банке с продуктом обычно состоят из дифференциальных уравнений, зависящих от многих факторов, которые трудно учесть (начальная температура продукта, температура охлаждающей жидкости, зависимость теплоемкости объектов). от параметров процесса, фазовых превращений теплоносителя, размера и формы банок, формы стерилизационной камеры и т.д.). Значение каждого фактора выбирается в зависимости от экспериментальных данных, поэтому разработать комплексную математическую модель объекта сложно.
Программное обеспечение для оптимизации условий термообработки
Современным решением проблемы выбора оптимальных параметров термообработки является использование современных математических методов и моделей процесса стерилизации в составе программного обеспечения с графическим интерфейсом пользователя (GUI). На сегодняшний день наиболее функциональными из них являются: программное обеспечение OPT-PROx и программный комплекс для подбора режима стерилизации консервов, созданные кафедрой автоматизации и вычислительной техники Мурманского государственного технического университета, состоящий из двух программ: TPM (Thermal processing modeller) и PRSC (Selection of cannes food режим стерилизации).
Программное обеспечение OPT-PROx
Программный продукт OPT-PROx был создан группой Абакарова в интегрированной среде разработки Borland C++ Builder [9]. В этой программе используются методы глобальной оптимизации и переменные режимы термообработки для оптимизации процесса термообработки изделий. OPT-PROx состоит из двух рабочих вкладок.
Первая вкладка «Оценка коэффициента температуропроводности» используется для расчета теплопроводности продукта с использованием экспериментальных температурных кривых автоклава и критической точки банки.
Вторая вкладка «Оптимизация тепловой обработки» ориентирована на решение задач оптимизации процесса стерилизации консервов с различными целями и ограничениями. Для решения сформулированных задач используется адаптивный алгоритм случайного поиска в сочетании с корректирующими функциями и методом конечных разностей в сочетании со сплайновой аппроксимацией третьего порядка [10].
OPT-PROx позволяет выбирать следующие целевые функции: минимизация общего времени процесса; минимизация затрат на обработку; максимальное повышение качества сохранности продукта на поверхности; максимальное повышение среднего качества сохранности продукта. Также можно использовать следующие ограничения для оптимизации: качество поверхности продукта; среднее качество продукта; затраты на обработку; показатель летальности; общее время обработки. Все функции OPT-PROx описаны в прилагаемом файле справки.
Использование программного обеспечения OPT-PROx для решения реальных задач позволяет значительно сократить общее время обработки и повысить качество конечного продукта по сравнению с традиционным процессом термообработки при постоянной температуре [9]. Однако для проведения процесса стерилизации в соответствии с выбранными в программе характеристиками необходим специально разработанный регулятор, способный регулировать эти температурные профили, а также повышаются требования к характеристикам стерилизационного оборудования. Это одна из основных проблем, связанных с реализацией заданных режимов в реальном промышленном автоклаве.
Программный комплекс TPM & PRSC
Особое внимание уделяется поиску оптимального температурно-временного режима термообработки сырья не только за рубежом, но и в России. Программный комплекс для получения режима стерилизации консервов из гидробионтов на этапе предварительного отбора, созданный кафедрой автоматизации и вычислительной техники Мурманского государственного технического университета, состоит из двух программ: TPM и PRSC. Комплекс позволяет оптимизировать рабочее время разработчика при создании нового или корректировке существующего режима стерилизации консервов из гидробионтов.
Программное обеспечение TPM позволяет:
— автоматически определять численные модели (коэффициенты передаточной функции) температурного процесса, протекающего в банке с продуктом, вплоть до третьего порядка включительно для стадий нагрева и стерилизации, а также для стадии охлаждения;
— отображать температурные профили автоклава в реальном времени (в соответствии с экспериментальные данные с датчиков температуры) и смоделированный тепловой процесс в банке с продуктом и их различие (E = Treal — Tmodel);
— вывод фактического значения стерилизующего эффекта (F-эффекта) реального и смоделированного тепловых процессов в банке с продуктом (в пересчете на заданную базовую температуру в градусах Цельсия и значение термостойкости конкретного микроорганизма) и их разницу для всего и отдельных этапов процесса стерилизации.;
— вычисление интегрального критерия, равного интегралу от суммы абсолютной величины разницы между реальной и моделируемой температурами термического процесса в банке с продуктом и абсолютной величины разницы между производными от тех же значений (J = Θ ( |E| + |E’| ) dt);
— вычисление средняя сохранность объема тиамина (в процентах) для банки № 3.
Чтобы начать работу с программным обеспечением TPM, пользователю необходимо открыть файл с зарегистрированными данными из регистраторов температуры. Затем выберите желаемый температурный режим продукта, тип («Нагрев» и/или «Охлаждение») и порядок (первый, второй или третий) терморегуляции продукта. Затем пользователю необходимо нажать кнопку «Идентификация модели» и сохранить выбранную модель продукта и режим стерилизации в файлах для программного обеспечения PRSC. Дальнейшее математическое моделирование на этапе предварительного выбора режимов стерилизации проводится в программном обеспечении PRSC.
Сначала в программу вводятся параметры модели продукта, автоклава или режима стерилизации (традиционного или ступенчатого), начальные и конечные условия и тип процесса стерилизации (паровая или водная среда). Далее программа рассчитывает температурные кривые в камере стерилизации автоклава и банок, размещенных в трех зонах автоклава (по нагреву: наибольший, наименьший и средний).
Для данного режима стерилизации и указанных зон автоклава на основе полученных данных рассчитываются значения фактической летальности. После этого программное обеспечение PRSC позволяет пользователю выбрать оптимальные (по стерилизующему эффекту, температуре стерилизации и продолжительности этапов стерилизации) параметры режима стерилизации консервов в автоматическом (с использованием адаптивного симплексного метода) или ручном режиме (пользователь изменяет необходимые параметры).
Кроме того, программное обеспечение PRSC позволяет выполнять следующие функции: — выводить в графическом или табличном виде процесс с выбранной моделью продукта; — выводить формулу традиционного режима стерилизации.; — моделирование любого режима стерилизации с использованием экспериментальных данных с температурным профилем автоклава; — создание файла отчета (документа Microsoft Word) с тепловыми данными для утверждения режима на этапе предварительного выбора путем настройки необходимых параметров на вкладке «Сохранение тепловых данных».
Исследование программного комплекса
Сотрудники кафедр автоматизации и вычислительной техники и пищевых производств МГТУ провели исследования по получению оптимальных параметров режима стерилизации консервов на основе численных математических моделей температурных процессов на этапе предварительного отбора.
Объекты и материалы
Для исследования были использованы следующие объекты и материалы: стерилизованный продукт — печень трески (Gadus morhua — наиболее распространенный объект промысла в Арктическом регионе) и новый тип упаковки — коническая жестяная банка 38K, универсальный лабораторный автоклав АВК-30М с микропроцессорной системой управления, полностью имитирующий процесс стерилизации в современных импортных и отечественных установках. бытовые промышленные автоклавы (ASCAMAT (Германия), Panniny (Италия), AGK и др.), промышленный автоклав ASCAMAT-230 и регистраторы температуры Ellab TrackSense PRO (Дания). Лабораторный автоклав АВК-30М был разработан и изготовлен путем модернизации стерилизатора ВК-30.
Для исследования и отработки режимов стерилизации АВК-30М был оснащен аппаратно-программным обеспечением отечественного производственного объединения OWEN, на базе которого была разработана система управления автоклавом (позиция 29 на рисунке 3). Он состоит из программируемого логического контроллера PLC-154, модуля аналогового ввода MVA-8 и модуля дискретного ввода-вывода MDVV. В процессе стерилизации система управления получает информацию от датчиков температуры и давления и управляет автоклавом с помощью электромагнитных клапанов и трубчатых электронагревателей [11]. В качестве промышленного образца для исследования был выбран автоклав ASCAMAT-230 производства ASCA GmbH (Германия) (рис. 4). Это вертикальный автоклав емкостью 230 литров, который нагревается с помощью трех трубчатых электронагревателей, расположенных в нижней и боковых частях [12].
План исследования
В рамках научных исследований была проведена серия экспериментов по предварительному подбору режима стерилизации консервов «Печень трески мурманская» в банке 38K для промышленного автоклава ASCAMAT-230. План эксперимента состоит из следующих пунктов:
1. Для стерилизации консервов «Печень трески мурманская» в банке 38K для промышленного автоклава ASCAMAT-230. провести предварительный пробный процесс стерилизации и охлаждения в воде с противодавлением в лабораторном автоклаве АВК-30М консервов «Печень трески Мурманская» в банке 38К при режиме 25-70-20°С и температуре стерилизации 115°С, используя экономичный метод разработки режимов стерилизации для промышленных автоклавов большого объема. [11];
2. получить три передаточные функции для модели продукта в программном обеспечении TPM: в наименее нагретой области автоклава Wmin(p), среднее значение для диапазона нагрева(p) и наиболее нагретый Wmax(p), используя данные регистраторов Ellab TrackSense PRO (температуры в камере стерилизации и консервированном продукте);
3. провести предварительный подбор параметров режима стерилизации консервов «Печень трески мурманской» с помощью программного обеспечения PRSC;
4. проведите экспериментальный процесс стерилизации в промышленном автоклаве ASCAMAT-230, подтвердив правильность параметров режима стерилизации консервов, полученных в программном обеспечении PRSC.
Результаты
В программном обеспечении TPM были получены три передаточные функции для модели продукта с использованием автоматического режима для тестовой автоклавной обработки консервов «Печень трески мурманской» в банке 38K. Результаты представлены на рисунке 5. Полученные коэффициенты передаточных функций для модели продукта, параметры модели автоклава, тип процесса стерилизации (водная среда) и начальная и конечная температуры автоклава были введены в программное обеспечение PRSC. Для начала работы в программе был выбран традиционный режим стерилизации и задана продолжительность этапов нагрева, стерилизации и охлаждения, а также температура стерилизации.
На основе этих данных программное обеспечение PRSC построило зависимость времени от температуры в стерилизационной камере, а также значения температуры продукта в наименее нагретой, средней для нагрева и наиболее нагретой зонах автоклава в графическом или табличном вариантах. Нормативное значение стерилизующего эффекта для данного вида продукта, стерилизованного в банке 38K, соответствует 4,7 усл. минутам [8].
Затем в программном обеспечении PRSC был выбран режим стерилизации консервов «Печень трески Мурманской» в соответствии с фактической летальностью (6,5 усл. минут), близкий к нормативному стерилизующему эффекту, с требуемым запасом не менее 20 процентов. На последнем этапе на вкладке «Сохранение тепловых данных» автоматически был создан документ в Microsoft Word с тепловыми данными для утверждения режима.
Таким образом, предварительный подбор параметров режима стерилизации консервов, основанный на полученных численных математических моделях продукта, в сочетании с экономичным методом использования АВК-30М для разработки режима стерилизации промышленного автоклава ASCAMAT 230, значительно сократил время на разработку оптимального режима стерилизации консервов «Треска Мурманская». печень» в банке по 38 тыс.
Изучение этого метода предварительного выбора режима стерилизации показало, что выбор реального режима стерилизации консервов может быть осуществлен с использованием не более трех пробных автоклавирований в AVK 30M. Это в среднем в два раза меньше, чем необходимо согласно инструкции по разработке режимов стерилизации рыбных консервов и морепродуктов. Наконец, этот метод предварительного подбора режима стерилизации позволил снизить энергозатраты на 85%, а расход сырья — на 90% на одну пробную автоклавацию, поскольку объем стерилизационной камеры автоклава АВК-30М и энергопотребление примерно в 7 раз меньше, чем при аналогичных параметрах автоклава АВК-30М. промышленный автоклав ASCAMAT-230 выполняет идентичный процесс стерилизации [11].
Вывод
В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что благодаря моделированию и оптимизации процессов с использованием вычислительных технологий можно значительно сократить время на разработку новых оптимальных режимов стерилизации продуктов и ускорить ввод в эксплуатацию новых стерилизационных установок с большей энергоэффективностью, которые улучшают качество конечного продукта. продукт и его безопасность. Таким образом, программное обеспечение, основанное на математических моделях процессов, является эффективным и удобным инструментом для прогнозирования и оптимизации режимов термической стерилизации. Улучшение функциональности программного комплекса позволит создать систему автоматизированного проектирования режимов стерилизации консервов из гидробионтов на предварительном этапе выбора режима, что в дальнейшем значительно сократит время разработки нового или корректировки существующего режима стерилизации консервов из гидробионтов.