Нечеткая логика для точного контроля температуры и продолжительности нагрева при стерилизации консервов в промышленных автоклавах

Термический процесс в автоклаве является важной процедурой стерилизации в пищевой консервной промышленности. Эффективность стерилизации определяется температурой и продолжительностью нагрева, давлением в автоклаве, а также свойствами продукта. В этом исследовании был разработан контроллер с нечеткой логикой, позволяющий поддерживать небольшую установившуюся температурную погрешность (121 ± 0,5 °C) в течение продолжительности стерилизации (F0), адаптируясь к отклонениям процесса в автоклаве.

Точный контроль температуры, связанный с онлайн-обновлением F0, обеспечивает возможность нагревания пищевых продуктов при заданной температуре в течение ожидаемого времени и, следовательно, успешную стерилизацию. Управление осуществляется с помощью ПЛК (программируемого логического контроллера), что обеспечивает доступность, надежность и безотказность, а управление операциями осуществляется с помощью веб-системы SCADA (диспетчерского управления и сбора данных) для удаленного мониторинга и управления.

Кратко о тепловой стерилизации консервов

Пищевая промышленность часто использует термическую обработку для стерилизации консервированных продуктов в целях их сохранности и безопасности. Тепло инактивирует микроорганизмы и ферменты, присутствующие в продуктах. Срок хранения стерилизованных продуктов увеличивается благодаря отсутствию патогенных микроорганизмов и инертному развитию микроорганизмов (Olaimat and Holley, 2012). Однако недостаточная термическая стерилизация может ухудшить питательные свойства продукта. Таким образом, стерилизация пищевых продуктов термической обработкой является компромиссом между минимальным ухудшением их вкусовых качеств и питательных свойств при максимальной сохранности и сроке хранения. Такой компромисс достигается путем регулирования температуры нагрева и времени стерилизации (Zanoni et al., 2003; Фарид и Абдул Гани, 2004; Сириваттанайотин и др., 2006; Тейшейра и Сан, 2012).

Консервы, стерилизованные термическим способом, нагревают при определенной температуре в течение определенного времени в автоклаве под давлением (Сингх и Хелдмон, 2001). Температура стерилизации поддерживается выше точки кипения воды в атмосфере автоклава. Продолжительность стерилизации определяется значением стерилизации F0 (летальность Clostridium botulinum при температуре 121 °C), зависящим от продукта (Teixeira and Sun, 2012, Kumar et al., 2001). При термической инактивации микроорганизмов правильное сочетание температуры и продолжительности стерилизации может снизить количество патогенных микроорганизмов или порчи до приемлемого уровня и, в то же время, минимизировать влияние на качество и приемлемость продукта.

При периодической обработке температура и продолжительность определяются с помощью теста на проникновение тепла (Фарид и Абдул Гани, 2004, Сириваттанайотин и др., 2006). Эти заранее заданные параметры стерилизации могут быть неверными или неадекватными из-за технологических отклонений, например неожиданное снижение температуры в автоклаве или недостаточное давление пара (Simpson et al., 2007a). Это может привести к получению неприемлемых продуктов: более низкая температура или более короткий период времени приводят к недостаточной стерилизации и, следовательно, к появлению в пищевых продуктах избыточного количества вредных микроорганизмов; более высокая температура или более длительный период времени приводят к чрезмерной стерилизации, ухудшению питательных свойств продуктов и потере энергии (Кумар и др., 2001, Симпсон и др., 2007b).

Свойства пищевых продуктов зависят от вида, технологической обработки, температуры и концентрации, что усложняет описание и прогнозирование свойств продукта при моделировании тепло- и массообмена. Воздух, находящийся в автоклаве, может легко помешать стерилизации. Поступающий воздух оказывает термическое сопротивление, что приводит к неустойчивому и неравномерному нагреву при стерилизации и создает опасное давление на стадии охлаждения, что приводит к деформации банки (Фарид и Абдул Гани, 2004).

Это отклонение от технологического процесса отрицательно сказывается на эффективности контроля температуры. Следовательно, во время стерилизации из автоклава следует удалять воздух (Кумар и др., 2001, Актериан, 1999). Однако возникающая при этом неопределенность в системе приведет к плохому регулированию температуры с помощью обычных схем управления. В литературе по регулированию температуры биопроцессов показано, что управление на основе нечеткой модели обеспечивает более высокую производительность и меньшие затраты на управление, чем обычные средства управления (Moelbak, 1999, Honda and Kobayashi, 2000, Thompson and Dexter, 2005, Chung et al., 2010). Нечеткое управление более интуитивно понятно и в основном зависит от опыта и знаний оператора (Lee and Kwon, 2007).

Это дает инженеру основу для моделирования нелинейности и сложности процесса приготовления пищи, который обычно сопровождается недостаточной или неточной системной информацией (Honda and Kobayashi, 2000, Chung et al., 2010, Lee and Kwon, 2007, O’Connor et al., 2002). Однако нечеткое управление не учитывает динамику процесса, и его эффективность может быть снижена из-за технологических отклонений. Таким образом, система онлайн-идентификации контролируемого процесса решает проблему утечки воздуха и обеспечивает стабильную и безопасную работу в процессе нагрева (Lee et al., 2002). Однако идентификация системы в режиме реального времени требует утомительных численных вычислений, что является большой проблемой или даже невыполнимой задачей для реализации на аппаратном обеспечении с ограниченными возможностями численных вычислений.

Существующие стерилизаторы рассчитывают заданное время стерилизации (значение F0), используя метод монограммы с кривой термической гибели (Фарид и Абдул Гани, 2004, Стофорос, 1995). Традиционный подход к расчету значения F0 требует много времени для реализации ПЛК (программируемого логического контроллера) и непригоден для оперативной адаптации к отклонениям процесса. Значение F0 чувствительно к изменению температуры, поэтому во время цикла нагрева всегда требуется автоматическое регулирование (Syafie et al., 2011). Недостаточное значение F0 может привести к чрезмерной или недостаточной стерилизации. Эта проблема решается с помощью оперативной компенсации технологических отклонений путем обновления значения F0 в режиме реального времени.

Целями этой работы являются (1) разработка контроллера с нечеткой логикой для управления температурой стерилизации и (2) применение справочной таблицы для расчета продолжительности стерилизации F0. Разработанная схема управления и стратегия расчета F0 будут реализованы с помощью ПЛК, который имеет ограниченные возможности численной обработки, но пользуется популярностью в промышленности.

Контроллер с нечеткой логикой обеспечивает точное регулирование температуры и оперативную коррекцию непредвиденных технологических отклонений при работе автоклава. Такая схема управления обеспечивает тот же эффект идентификации системы в режиме реального времени, но не требует сложных численных расчетов. Таким образом, процессоры могут минимизировать или даже предотвратить возникновение отклоняющихся процессов. Управляющие данные организованы в виде справочной таблицы, подходящей для реализации в ПЛК.

Фундаментальные основы стерилизации

Основной целью термической обработки в пищевой промышленности является обеспечение безопасности пищевых продуктов путем уничтожения микроорганизмов и инактивации их ферментов или других метаболитов. Большинство микроорганизмов могут быть инактивированы теплом, но некоторые из них, устойчивые к высокой температуре, могут выживать в определенном температурном диапазоне (Датта и Тейшейра, 1988, Кумар и др., 1990). При тепловой инактивации микроорганизмов важно правильное сочетание температуры и времени для достижения двух целей процесса: устранения или уменьшения патогенности.

Система контроля

Процесс стерилизации представляет собой комбинацию последовательного и замкнутого режимов управления. Вначале паровой клапан полностью открыт для подачи пара в автоклав, чтобы удалить находящийся в нем воздух и прогреть банки. Как только температура достигает 121,5 °C, что на 0,5 °C выше нормы Tref, система переключается в режим управления с замкнутым контуром. Этот режим поддерживается в течение периода, определяемого индексом F0. Температура стерилизации регулируется с помощью нечеткой логики с помощью промышленного контроллера.

Реализация системы

Стратегия нечеткого управления была реализована с использованием ступенчатой схемы ПЛК. SCADA-система отслеживает, вычисляет значение F0 и управляет процессом стерилизации с помощью ПЛК по последовательной связи RS232.

Эффективность системы стерилизации была подтверждена с помощью 1%-ного (вес/объем, масс./об.) и 3%-ного (масс./об.) растворов кукурузного крахмала (CH-20, Gredmann, Тайвань), приготовленных при температуре 60°C. Растворы были разлиты по банкам для проведения теста на стерилизацию и, соответственно, были рассчитаны их значения F0.

Контроль температуры стерилизации

В процессе работы были показаны реакции системы на каждое управление масштабированием. В начале управления заданное значение температуры устанавливается на уровне 105 °C, а затем увеличивается до 121,5 °C через 600 с. Эта процедура позволяет наполнить автоклав горячим паром для разогрева. После этого стерилизация при номинальной температуре продолжается в автоматическом режиме нечеткого регулирования. Контроль, начинающийся с открытия клапана на 100%, позволяет быстро достичь заданного значения температуры. При переключении с разомкнутого контура на нечеткое управление, флуктуирующее управление берет на себя контроль технологическим процессом.

Выводы

В данной статье кратко была предложена система управления стерилизацией, состоящая из последовательного контура для быстрого разогрева и контроллера с нечеткой логикой для точного контроля температуры. Разработанная схема управления была реализована на ПЛК, который управляется удаленно с помощью SCADA-системы. Нечеткий контроллер может поддерживать температуру стерилизации с точностью ±0,5 °C. SCADA-система отслеживает работу контроллера и реакцию на стерилизацию и, соответственно, вычисляет и регулирует температуру стерилизации.