Процесс стерилизации пищевых продуктов имеет большое значение для потребителей, поскольку считается одним из способов консервирования пищевых продуктов. При использовании этих методов продукты могут храниться или быть съедобными в течение длительного периода времени. Одним из способов, требующих термической обработки, является процесс стерилизации. В двадцатом веке наиболее широко применялась термическая стерилизация расфасованных консервированных продуктов в автоклавах. Обычно этот метод заключается в нагревании пищевых контейнеров в автоклавах под давлением при заданных температурах в течение заданного периода времени (Тейшейра и Такер, 1997).
Продолжительность обработки консервов указывается в зависимости от степени бактериальной инактивации в каждой упаковке в соответствии со стандартами общественного здравоохранения или безопасности пищевых продуктов. Кроме того, это позволит свести к минимуму вероятность порчи продуктов. С тех пор были разработаны и широко используются традиционные методы расчета или валидации тепловых процессов, такие как методы Ball и Stumbo. Однако они требовали ввода таблиц в автономном режиме и, следовательно, выполнения ряда этапов расчета, что могло привести к слишком длительному или слишком короткому процессу нагрева.
В настоящее время доступно множество коммерческих программ, которые можно использовать как для оперативного, так и для автономного анализа достаточности термообработки или летальности процесса (Fo), таких как CAN-CALC, CALSoft™ и т.д. Balaban (1996), цитируемый Teixeira et al., 1999), описал, что программное обеспечение CAN-CALC необходимо для получения fh (коэффициента скорости нагрева) и jh (коэффициента задержки нагрева) из теста на проникновение тепла, прежде чем можно будет прогнозировать температуру внутренней поверхности изделия в зависимости от любой динамической граничной температуры для изделий любой формы и размера.
Следовательно, если предположить, что выбранная банка находится в точке с самым медленным нагревом в автоклаве, можно также получить имитацию системы Fo для пищевых продуктов, которые нагреваются за счет любой комбинации теплопроводности или конвекции. Однако производительность программного обеспечения была подчеркнута его способностью справляться с технологическими отклонениями, такими как отключение и повторное включение подачи пара. Программное обеспечение CALSoft™ (Anonymous, 2011) было разработано специально для проведения испытаний на проникновение тепла и распределение температуры, оценки собранных данных, расчета теплового процесса или графика вентиляции/времени выхода из строя, а также оценки отклонений от технологического процесса. Предполагалось, что он будет использоваться с регистратором данных CALPlex™ и заявлен как наиболее широко используемое коммерческое программное обеспечение для термической обработки.
Многие исследователи (Лаппо и Поуви, 1986; Рынецки и Джайас, 1993) использовали накопленную летальность процесса для разработки системы управления процессом парового автоклава периодического действия. К банкам было подключено несколько термопар. Средняя температура в центре этих банок использовалась для расчета летальности процесса в режиме реального времени.
Датта и др. (1986) использовали численное решение задачи двумерного теплообмена в конечном цилиндре как часть программного обеспечения для принятия решений в компьютерной системе управления автоклавом. Фактическая температура в автоклаве считывалась непосредственно с датчиков, расположенных в автоклаве, и постоянно обновлялась с каждой итерацией численного решения. Нагревание продолжалось до тех пор, пока накопленная летальность не достигала определенного целевого значения, и процесс всегда завершался требуемым уровнем стерилизации.
Однако предложенное ими решение модели имеет некоторые ограничения, поскольку для моделирования использовались консервы с теплопроводным нагревом. Позднее многие исследовательские работы (Bichier et al., 1995; Teixeira, 1992) были выполнены без этих ограничений. Пакет компьютерного моделирования Visual Basics для расчета тепловых процессов был разработан Ченом и Рамасвами (2007). Эта программа с графическим интерфейсом пользователя (GUI) была разработана для обучения и тестирования искусственных нейронных моделей, а также для изучения процесса проектирования или других исследовательских целей.
Он применим для термической обработки в различных автоклавах различных видов пищевых продуктов, таких как твердые, жидкие и содержащие частицы жидкости, в контейнерах различной формы и размера. Температура в контейнере определялась с помощью метода конечных разностей, а для расчета продолжительности процесса и сохранения качества использовался метод численного интегрирования. Было предпринято несколько попыток разработать подходы к управлению тепловым процессом при консервировании пищевых продуктов. Традиционно она заключается в поддержании заданных рабочих условий, которые были определены на основе теста на теплопроводность продукта или процесса.
Первой стратегией управления было использование данных о теплопроводности в режиме реального времени для интеллектуального онлайн-контроля термообработанных пищевых продуктов. Это был самый эффективный способ справиться с отклонениями в технологическом процессе. Однако перед началом термообработки ряд контейнеров с продуктами оснащаются датчиками температуры, затем заполняются и закатываются. Эти контейнеры подключаются к регистратору данных с помощью проводов. Таким образом, компьютер получает доступ к данным из регистратора данных в режиме реального времени и выполняет расчет достигнутого уровня стерилизации в самом холодном месте контейнера. Рассчитанный уровень стерилизации постоянно сравнивается с заданным значением, требуемым в конце нагрева. Эта стратегия обеспечивает очень точный расчет летальности процесса и позволяет устранять отклонения от технологического процесса без вмешательства оператора и без какой-либо ненужной чрезмерной обработки.
Наиболее ценной особенностью этой стратегии контроля является то, что она практически надежна, поскольку выявляется и учитывается все, что могло пойти не так на ранних этапах подготовки продукта. Однако очевидным недостатком такого типа стратегии контроля были бы непомерно высокие затраты (Simpson et al., 2007).
Другая стратегия управления автоклавами, над которой работали многие исследователи, заключается в оперативной коррекции технологических отклонений, которая включает в себя сбор данных о температуре автоклава в режиме реального времени, корректирующий коэффициент в режиме реального времени и математическую модель теплопередачи температуры банки (Teixeira and Manson, 1982; Datta et al., 1986; Тейшейра и Такер, 1997).
Однако стратегия, которая станет трендом будущего, — это система управления автоклавами на базе микроконтроллеров или просто оперативное измерение температуры автоклава с помощью портативного компьютера. Когда рассчитанная летальность достигает заданного целевого значения, компьютер автоматически отключает или включает клапаны (Симпсон и др., 2007). Awuah и др. (2007) рассказали, что программное обеспечение для моделирования процессов Can-Calc также было протестировано на работоспособность и в дальнейшем интегрировано в компьютерную систему оперативного управления Noronha и др. (1995) и Teixeira и др. (1999).
В целом, цель разработки программного обеспечения и аппаратного управления была основана на том факте, что продукты не следует перегревать, поскольку это отрицательно сказывается на качестве продуктов, а также приводит к потере энергии и воды. Таким образом, нагрев должен быть минимальным или применяться по мере необходимости. Для осуществления вышеупомянутого процесса важно иметь соответствующую машину или устройства, связанные с методом анализа, для оценки эффективности процесса, включающего тепловую обработку любого из консервированных продуктов и распределение тепла в стерилизующем устройстве.
Однако в России большая часть оборудования и программного обеспечения, доступного в настоящее время, импортируется. В основном они разрабатываются либо для последующей оценки (после полного разогрева продуктов), либо для предварительного разогрева. К настоящему времени было предпринято больше усилий для разработки интеллектуальной системы управления автоклавами в режиме реального времени, которая способна быстро оценивать, корректировать в режиме реального времени и печатать документацию. Разработка местных устройств или программного обеспечения для таких целей в России по-прежнему встречается редко. Таким образом, целью исследования является разработка компьютерного программного обеспечения Visual basic для интеграции сбора данных в режиме реального времени. Оценка эффективности стерилизации или летальности процесса (Fo), а также распределения тепла в автоклаве были выполнены во время нагрева. Программное обеспечение также может использоваться в качестве учебного пособия для изучения термической обработки.
Оперативный сбор данных и оценка эффективности стерилизации (Fo)
Программа Quick Basics была разработана для получения данных взаимодействия с платы PCL 812PG (многофункциональная плата сбора данных) вместе с платами PCLD-889 (плата усилителя/мультиплексора с формированием сигнала и схемой обнаружения холодного перехода). К заполненным банкам можно было прикрепить до 8 термопар и подключить их к автоклаву. Они использовались для измерения температуры на аналоговых входах из разных мест в автоклаве, а затем преобразовались в цифровые данные о температуре с помощью интерфейсной платы PCL-812PG A/D. Таким образом, данные о времени и температуре в тестируемых банках и некоторые данные о температуре в реторте записывались и отображались графически каждые 4,5 секунды в разработанной программе в виде графического интерфейса пользователя, закодированного в Visual Basic 6.0.
Перед тестированием все датчики измерения температуры были откалиброваны в диапазоне температур окружающей среды до 140C путем сравнения. к показаниям надежного портативного цифрового термометра, измеряющего горячее масло. Разработанная компьютерная программа способна получить доступ к записанному файлу данных Quick-Basic, которые предоставляют информацию о времени и температуре в банках и автоклавах в режиме реального времени и рассчитывают их для определения летального исхода каждые 4,5 секунды по правилу численного интегрирования Симпсона для получения динамического результата во время стерилизации. Чтобы оценить точность этой программы, хронологические данные о времени и температуре были также протестированы с помощью F-ADDING’а, которая представляет собой компьютерную программу для расчета Fo, разработанную Rouweler (2000).
Минимальное значение Fo, полученное из всех результатов каждого исследования, вычисляется как системное значение Fo и одновременно сравнивается с целевым значением Fo, необходимым для завершения процесса за минимальное время. Этот подход был признан, несомненно, наиболее эффективным и, безусловно, самым безопасным для оперативной коррекции при возникновении отклонений в технологическом процессе (Teixeira and Tucker, 1997; Simpson et al., 2007), поскольку термопары использовались для оперативного измерения температуры не только в автоклаве, но и в банках.
Вывод
На языке MS Visual Basic 6.0 была разработана компьютерная программа для оперативного сбора данных и оценки выполненных работ. Это компьютеризированное онлайновое устройство было способно определять самую холодную точку банки в автоклаве и динамически рассчитывать летальность процесса или неисправность системы во время стерилизации. При проектировании процесса или составлении графика можно было избежать чрезмерного или недостаточного объема обработки благодаря интеграции такого устройства для оперативного определения результатов во время предварительной обработки. В случае использования новых продуктов, процессов или оборудования потребуется настройка аппаратного и программного обеспечения для компьютерной оценки стерилизационной установки в режиме реального времени.
Всегда существует неравномерное распределение тепла в автоклаве. Разработанная программа позволяла проводить оценку распределения тепла путем регистрации и отображения максимального/минимального отклонения температуры в различных местах автоклава в процессе поддержания температуры в процессе стерилизации. Более низкая температура стерилизации при 110C приводила к меньшему отклонению температуры (1,6-2,8%) в автоклаве при температуре выдержки по сравнению с 4,1-11,6% при 121C. Таким образом, более низкая температура приводила к меньшему отклонению.
Наиболее холодное место в банке во время процесса стерилизации можно определить с помощью значения температуры стерилизации (Fo). Минимальное из этих значений соответствует точке в банке, в которой накапливается наименьшее количество тепла. Было подтверждено, что самое холодное место в банке с детскими кукурузными хлопьями в физиологическом растворе во время стерилизации находилось на половине центральной оси банки при минимальном значении Fo. Необходимо было иметь в наличии портативные или удобные учебные инструменты для процесса стерилизации, поскольку большинство процессов могут выполняться в обычном режиме по одному и тому же технологическому графику. Полученный результат может быть использован для обеспечения контроля безопасности пищевых продуктов.