Самым простым и эффективным способом хранения значительной части наших продуктов питания является консервирование, при котором для получения безопасного и вкусного продукта используется термическая обработка. Термическая обработка консервированных продуктов, широко известная как “варка, автоклавирование или переработка”, заключается в применении тепла при определенной температуре в течение определенного времени. Эта операция преследует две основные цели.
Первая заключается в получении стерильного продукта. Продукт упакован в герметичную тару и подвергается термической обработке при температуре и в течение времени, достаточных для уничтожения всех микроорганизмов, которые могут негативно повлиять на здоровье потребителя. Термическая обработка также уничтожает более стойкие микроорганизмы, которые могут привести к порче при нормальных условиях хранения.
Вторая цель — приготовить блюдо до такой степени, чтобы для его употребления потребовалось минимум дополнительной подготовки. Очевидно, что технологическое оборудование для этой важнейшей операции должно быть надлежащим образом установлено, оснащено и эксплуатироваться в соответствии с проверенной практикой. Автоклавы — это закрытые сосуды высокого давления, в которых используется пар из внешнего источника, такого как паровые котлы или парогенераторы. Первые автоклавы, использующие пар из внешнего источника, были изобретены А. К. Шрайвером примерно в 1875 году [1].
Автоклавы без перемешивания (перегонные кубовые), работающие в среде чистого пара, являются наиболее простыми как в эксплуатации, так и в управлении. Эти порционные автоклавы могут быть ориентированы как вертикально, так и горизонтально. Они предназначены для обработки только металлических банок с двойными швами. В настоящее время, помимо металлических банок, пищевые продукты также могут быть упакованы в стеклянные, пластиковые, полукруглые и гибкие материалы. Для обработки этих материалов необходимы автоклавы, способные выдерживать избыточное давление [2].
Автоклавы, работающие с избыточным давлением, включают паровые/воздушные автоклавы, водяной душ, водяные брызги и погружение в воду. Независимо от того, какой тип автоклавной системы используется на консервном предприятии, порядок эксплуатации автоклавов должен обеспечивать достижение и поддержание одинаковой температуры обработки во всех местах расположения емкостей в течение всего процесса [3].
К концу периода готовности автоклава, который представляет собой период с момента подачи пара в автоклав до начала технологического процесса, температура внутри автоклава должна быть одинаковой. Независимо от используемой рабочей жидкости (пар, вода, пар/воздух, водяные брызги), должно быть известно время, в течение которого автоклав достигает рабочей температуры, и должна быть возможность проверить, что температура автоклава остается на рабочем уровне [4].
Для измерения температуры процесса в корпус автоклава вмонтирован термометр. По практическим соображениям термометр устанавливается на расстоянии от контейнеров и нагревательной жидкости, непосредственно окружающей обрабатываемые контейнеры. Правила требуют использования ртутного термометра в стекле [5].
Испытания на распределение температуры помогают разработать рабочие процедуры для всех типов автоклавов. Датчики температуры или термопары расположены между контейнерами по всей длине автоклава. Во время процесса контролируется температура, чтобы убедиться, что индикатор температуры или ртутный стеклянный термометр для автоклава соответствуют температурам внутри автоклава [2].
Данные этого теста дают представление о распределении температуры внутри автоклава. Сопротивление потоку, создаваемое ящиками, стеллажами или разделительными листами, влияет на распределение температуры. Ящики с небольшой открытой площадью будет сложнее вентилировать, чем ящики с большой открытой площадью. Ящики, в которых между слоями используются разделительные листы, очень распространены на консервных предприятиях. Чем больше слоев в ящике, тем сложнее задача обеспечения надлежащего распределения температуры.
Поскольку понимание распределения температуры внутри автоклава имеет жизненно важное значение для оптимизации процесса стерилизации, было опубликовано несколько исследований, в которых представлены результаты как экспериментальных, так и имитационных попыток определить профили распределения температуры внутри автоклава. Недавно опубликованные результаты численного моделирования включали стерилизацию жидких пищевых консервов с использованием разложения сахарозы в качестве индикатора [6], использование искусственных нейронных сетей для моделирования процесса стерилизации [7] и прогнозирование изменения температуры в зоне с наименьшим нагревом во времени [8].
Недавние экспериментальные попытки включали использование методологии экспериментального проектирования для оптимизации технологических условий стерилизации отбивных с короткими ребрышками [9] и различные исследования по управлению процессом в режиме реального времени [10-12]. Целью данного исследования является оптимизация процесса стерилизации путем проведения и анализа исследований распределения температуры. Методология, описанная в разделе II, успешно применена к двум автоклавам. Результаты представлены и обсуждаются в разделе III. В то время как в разделе IV обобщены выводы этого исследования.
Автоклав A (погружная в воду)
Автоклав горизонтального типа, в которой в качестве теплоносителя используется вода. Вода нагревается за счет прямого впрыска пара, который конденсируется и теряет свое скрытое тепло по мере нагревания воды, изначально заполняющей автоклав. Автоклав имеет длину около 19,7 футов (6 м) и диаметр 4,9 футов (1,5 м). Она вмещает 6 корзин с продуктами. Каждая корзина имеет прямоугольную форму шириной 1 м, длиной 0,8 м и высотой 0,8 м. Каждое из открытых отверстий в нижней части корзины имеет диаметр 3/4 дюйма (1,9 см) с расстоянием от центра к центру 1,5 дюйма. Таким образом, открытое пространство составляет около 30% площади дна корзины. Между рядами были использованы разделительные листы.
Размер отверстий составлял 1 дюйм на 1,5 дюйма от центра к центру. Вода для автоклава поступала из подземного колодца через 3-дюймовую впускную трубу. Распределитель представлял собой прямоугольный канал с поперечным сечением 8 на 2 дюйма, через который проходили отверстия. Диаметр отверстия составлял 0,5 дюйма на расстоянии 4 дюймов от центра к центру. Подача пара в автоклав осуществлялась из котла с давлением 6 бар и диаметром коллекторной трубы 2,5 дюйма по трубе диаметром 2,5 дюйма от коллектора к подающему клапану.
Воздухозаборник представлял собой трубу диаметром 2 дюйма с обратным клапаном и располагался на расстоянии 1 м от двери. Автоклав имел одну трубу для подвода пара к автоклаву диаметром 2,5 дюйма и 2 распределительные трубы диаметром 2 дюйма, каждая из которых имела 60 отверстий диаметром ½ дюйма (12,7 мм) на расстоянии 2,5 дюйма от центра к центру. Дренаж представлял собой трубу диаметром 3 дюйма, расположенную на расстоянии 1 м от вентилятора. Автоклав имела две вентиляционные трубы. Маленькая вентиляционная труба диаметром 1,5 дюйма была расположена на расстоянии 6,6 футов (2 м) от двери, а большая вентиляционная труба диаметром 3 дюйма — на расстоянии 5 футов (1,5 м) от двери.
Автоклав В (разбрызгиватель воды)
Автоклав была длиной около 6 м и диаметром около 1,2 м. В нем помещалось 6 корзин с продуктами. В каждой корзине помещалось 6 ярусов банок. Разделительные листы между слоями банок не использовались. Корзина была размером примерно 1 м х 1 м х 1 м и изготовлена из проволоки из нержавеющей стали. Отверстия между проволоками были размером примерно 5 см х 5 см. В стеклянном термометре автоклава не было ртути. Автоклав имеет каскадный водяной (распылительный) тип, в котором теплоносителем является горячая вода. Система распределения воды была расположена в верхней части автоклава, что позволяло нагревательной и охлаждающей воде стекать каскадом (дождем) по емкостям. Источником избыточного давления был воздух. Вода нагревалась снаружи с помощью теплообменника и прокачивалась через систему.
Стандартная термопара
Использовался медно-константановый преобразователь с напряжением порядка 5 милливольт или менее при разнице температур между контактами 180°F (100°C) или менее. Он был изготовлен местной компанией Al-Allammia Co. для измерительных приборов.
Соединитель удлинительных проводов
Использовались удлинительные провода того же типа с хорошей изоляцией и напряжением. Провода соединялись с помощью штекерных разъемов для термопар. После установки проводов места соединения были обжаты. Удлинительные провода были подключены к потенциометру с помощью разъемных соединений. Мы позаботились о том, чтобы провода в местах подключения были чистыми.
Регистратор данных
Поскольку необходимо было считывать показания с нескольких термопар, они были подключены к многоканальному переключателю, который, в свою очередь, был подключен к потенциометру. Системы регистрации данных имели многоканальное измерение температуры в сочетании с цифровым выводом данных; этот прибор был изготовлен для работы с определенными типами термопар. Цифровой вывод данных упростил сбор данных и открыл возможность прямого анализа данных о проникновении тепла с помощью компьютера. Эта система также позволяла проводить многочисленные измерения различных температур в течение минуты, что улучшало компьютерный анализ данных. Регистратор данных был надлежащим образом заземлен, чтобы предотвратить помехи в силовых цепях.
Выбор продукта и тары
Испытания проводились в соответствии с лучшими практиками исследований распределения тепла[13]. Автоклавы были полностью загружены банками самого низкого профиля, которые имели наименьший диаметр. Для проведения испытаний на распределение тепла в широком ассортименте продуктов использовалась вода или другой продукт с конвекционным нагревом. Автоклав был длиной около 6 м и диаметром около 1,2 м. В ней помещалось шесть корзин с продуктами. В каждой корзине было шесть ярусов банок. Разделительные листы между слоями банок не использовались. Корзина была размером примерно 1 м х 1 м х 1 м и изготовлена из проволоки из нержавеющей стали. Отверстия между проволоками были размером примерно 5 см х 5 см. В стеклянном термометре автоклава не было ртути. Автоклав проточного типа, в которой в качестве теплоносителя использовалась горячая вода. Система распределения воды была расположена в верхней части автоклава, что позволяло нагревательной и охлаждающей воде стекать каскадом (дождем) по емкостям. Воздух был источником избыточного давления. Вода нагревалась снаружи с помощью теплообменника и прокачивалась через систему.
Расположение датчика термопары
Распределительные датчики температуры были распределены по контейнерам, чтобы контролировать температуру во всей загрузке автоклава. Кроме того, по крайней мере один (иногда два) датчик был расположен рядом с устройством индикации температуры, чтобы служить эталоном, с которым можно сравнивать все остальные датчики.
Калибровка оборудования
Оборудование для регистрации температуры, а также датчики температуры и провода были откалиброваны. Оборудование (со всеми подключениями на месте) было откалибровано перед испытанием путем группировки всех датчиков в соответствии с известным точным стандартом и проверки соответствия температуры номинальной температуре в автоклаве.
Установка А (автоклав для погружения в воду)
Контейнеры были вручную уложены в автоклавные корзины, в которых были установлены распределительные термопары. Контейнеры были загружены в корзины таким образом, чтобы обеспечить наихудшую ситуацию, которую можно было ожидать при нормальной эксплуатации. После заполнения корзины ее (вместе с проводами датчиков) загружали в автоклав. Данные о времени и температуре собирались с интервалом в одну минуту или менее с момента включения подачи пара до примерно 20 минут после достижения температуры в автоклаве.
Испытание проводилось с использованием открытых термопар, которые были размещены между банками с водой А10 и шестью корзинами внутри автоклава на трех разных уровнях, т.е. таким образом, чтобы обеспечить наихудшее распределение температуры во время приготовления и обработки. Каждая корзина была заполнена четырьмя рядами по 120 банок с водой; автоклав был полностью заполнен шестью корзинами. Пятнадцать термопар были размещены в шести корзинах сверху, посередине, снизу и во всех направлениях корзины, чтобы обеспечить репрезентативное распределение температуры.
Одна оголенная термопара была помещена рядом с MIG в качестве эталона. Для каждого испытания были составлены карты распределения термопар. Данные о времени и температуре для каждой термопары записывались с начала и до конца цикла с использованием регистратора данных и программного обеспечения с интервалом в 0,25 минуты. Оголенные термопары были размещены в корзинах автоклавов в трех различных положениях, и распределение термопар было следующим.
Установка В (автоклав для распыления воды)
Оголенные провода термопар были размещены в корзинах по всей длине автоклава и в разных местах корзины; расположение термопар было выбрано таким образом, чтобы они находились на дне и в середине корзин, поскольку ожидалось, что они будут демонстрировать наихудшее распределение температуры[14]. Процедура аналогична процедуре, применяемой на установке А. Размеры банок были 603х700 мм. Данные о временной температуре во время нагрева, обработки и охлаждения были записаны регистратором данных и сохранены программным обеспечением.
Результаты. Установка А
Результаты теста №1 проиллюстрированы на рис. 3, где указаны данные о времени/температуре для всех термопар за период с момента, предшествующего времени включения, до окончания времени обработки и температурного диапазона, близкого к требуемой температуре стерилизации. Руководство, которое использовалось в течение многих лет, указывает, что автоклав будет иметь хорошее распределение температуры, если разница температур для самой медленной термопары составляет менее -3,0 °F по сравнению с индикатором температуры через одну минуту после включения и менее -1,0 °F через три минуты после включения.
Из приведенного выше графика видно, что разница температур при t=27,5 мин. составляет 3,6 °F, что больше 3°F, а при t =29,5 мин. составляет 2°F, что больше 1°F. Следовательно, мы можем сказать, что автоклав имеет плохое распределение температуры. Предложенный график нагрева был запрограммирован для использования оператором при следующем испытании, который основан на увеличении времени нагрева на 3 минуты. В таблице 5 приведена запланированная программа для теста №2. Из приведенного выше графика видно, что разница температур при t=30,5 мин. составляет 1,2 °F, что меньше 3°F при t =32,5 мин. составляет 0,2°F, что меньше, чем 1°F.
Следовательно, мы можем сказать, что автоклав имеет хорошее распределение температуры. Была реализована другая программа, в рамках которой время разогрева увеличивалось до 122°C в течение дополнительных трех минут, как указано в таблице 6. Из приведенного выше графика видно, что разница температур при t=30,5 мин. составляет 0,8 °F, что составляет менее 3°F при t =32,5 мин. составляет 1°F. Следовательно, мы можем сказать, что автоклав имеет хорошее распределение температуры. Как видно из приведенных выше результатов, испытания на распределение температуры проводились с использованием банки наименьшего размера, имевшейся в наличии на заводе, заполненной водой, что соответствовало наихудшему из ожидаемых условий.
Автоклав показала неприемлемое распределение температуры при использовании рабочей программы, которую использовала компания. Следовательно, технологический план компании не должен использоваться для обработки какого-либо продукта до тех пор, пока он не будет изменен в соответствии с предлагаемыми программами. В этом исследовании были представлены два варианта обработки, при которых автоклав демонстрировал приемлемое распределение температуры. Оператор автоклава может выбрать способ обработки продукта, используя режим нагрева, указанный в тесте №2, или режим, использованный в тесте №3.
С этими изменениями рабочая программа может использоваться для обработки любого продукта при условии, что размер банки такой же, как и при тестировании, или больше. В противном случае необходимо провести испытания на распределение температуры в банках нового размера. Очевидно, что обе банки имеют хорошее распределение температуры, поэтому рекомендуется использовать программу, принятую для теста № 3, которая обеспечивает лучшее распределение, чем программа, принятая для теста № 2. Какая бы программа ни была выбрана для обработки, все они имеют одинаковый график нагрева и одинаковое распределение температуры, они будут отличаться только временем обработки, которое следует рассчитать с помощью исследований проникновения тепла.
Результаты. Установка В
На рис. 6 показан снимок программного обеспечения с записанными данными о распределении температуры в автоклаве для распыления воды установки B. Результаты этого теста показали плохое распределение температуры. По мере того как программа стерилизации продолжалась и завершалась, в нескольких точках автоклава не достигалась требуемая температура стерилизации, и это указывало на серьезную проблему. Плохое распределение может быть вызвано механическими проблемами, такими как засорение автоклава, впускных труб, душевых панелей и внешнего теплообменника. Механические проверки показали, что во впускных трубах имеется загрязнение, а внешний теплообменник загрязнен и частично засорен. После химической очистки водяного контура и демонтажа и механической очистки внешнего пластинчатого теплообменника испытание было повторено и показало хорошее распределение температуры, как показано на рис. 7.
Заключение
В этом исследовании процесс стерилизации двух различных типов автоклавов (погружение в воду и распыление воды) был исследован с помощью пяти тестов на распределение температуры. Исследование привело к модификации процедуры стерилизации для одной из автоклавов и выявлению и последующему решению механических проблем в другой. Таким образом, тестирование распределения температуры является жизненно важным инструментом для обеспечения безопасности консервированных продуктов.
Поскольку для разработки программы стерилизации необходимо протестировать новую установленный автоклав, не менее важно проводить такие испытания на регулярной основе, по крайней мере, раз в 6 месяцев. Это делается для того, чтобы температура в автоклаве, показанная устройством индикации температуры, была одинаковой во всем пространстве автоклава. Тесты на распределение температуры также помогут выявить некоторые серьезные механические проблемы, влияющие на стабильность термообработки, такие как засорение впускных отверстий, распылительных труб и теплообменников.