В рыбоконсервной промышленности для предварительной варки по-прежнему используется приготовление на пару в печи. Разница в производительности процессов предварительной варки и стерилизации приводит к длительному времени выдержки, что может привести к заражению микроорганизмами и снижению производительности. Исследование прототипа интегрированной полуавтоматической мини-вытяжной установки вместимостью до 300 банок по 115 мл, использующей источник горячего пара из стерилизационного автоклава, должно повысить производительность и эффективность производства.
Мини-вытяжка имеет размеры 4 х 1 метр и изготовлена из нержавеющей стали марки 304. Она состоит из 3 частей, а именно из подготовительной части, нагревательной части и дренажной секции. Дренажная часть была расположена снаружи мини-вытяжки. Сливная часть оснащена поддоном, который можно поворачивать на 150 градусов, чтобы удалить жидкость из банки с рыбой перед следующей обработкой. Температура в помещении достигла 90°C за 8 минут при давлении в автоклаве 0,8 бар. Рыбное мясо достигает температуры 80 градусов после разогрева на 12-й минуте. Благодаря мини-вытяжной системе производственная мощность может быть увеличена до 8 раз при 25%-ной эффективности использования электроэнергии.
Вступление
Предварительная обработка является важным этапом процесса консервирования рыбы. Предварительная обработка направлена на уменьшение количества микробов, инактивацию ферментов, уменьшение содержания воды в рыбе, придание мясу более плотной консистенции, уменьшение содержания жира, воздуха (кислорода) и снижение давления внутри банки. В процессе предварительного приготовления обычно используется горячий пар с минимальной температурой 60°C. Температура перед приготовлением достигала 90°C в течение 18-20 минут (Bratt, 2010).
Начальная температура приготовления зависит от размера рыбы, которую нужно обработать. Как правило, начальная температура приготовления составляет около 98 °C. Используйте эту температуру таким образом, чтобы температура рыбных костей достигала как минимум 60-65°С [1]. Минимальная температура для приготовления рыбы определяется в самой глубокой части рыбы. Согласно официальным веб-сайтам FDA и USDA, минимальная температура для приготовления рыбы составляет 145oF или 62,8 oC. В процессе предварительной варки при крупномасштабном производстве рыбных консервов используется вытяжное устройство с паровым котлом.
Между тем, в процессе мелкосерийного консервирования рыбы по-прежнему используется приготовление на пару на плите вместимостью 40 небольших баночек по 115 мл. Если емкость колбы, используемой для стерилизации, рассчитана на 200 банок, то процесс предварительного приготовления потребует длительного времени выдержки. Это может привести к загрязнению и неэффективности. Этот метод приготовления на пару имеет много недостатков, а именно неконтролируемую температуру, нестабильное тепловыделение и низкую производительность. Это может привести к недоваренности или переваренности рыбы, что отрицательно скажется на качестве рыбных консервов.
Для повышения производительности и улучшения качества продукции. необходимо создать прототип мини-вытяжной системы, интегрированной в процесс консервирования рыбы. Данная концепция предусматривает использование совместной системы подогрева для процессов предварительной варки и стерилизации. Для приготовления водяного пара используется пар из автоклава. После завершения процесса предварительной обработки в процессе стерилизации используется тот же автоклав, что позволяет эффективно использовать время нагрева за счет тепла, накопленного в машине после предыдущего процесса [2].
Применение этой интегрированной мини-вытяжной системы позволяет сократить время нагрева и обработки, поскольку она использует тепло, накопленное в автоклаве в процессе предварительной варки. Целью данного исследования было создание и расчет производительности прототипа мини-вытяжной системы, встроенной в процесс консервирования рыбы.
Сопутствующие работы
Вытяжка — это инструмент, используемый для создания вакуума в свободном пространстве банки перед закрытием, что называется вытяжкой [3]. Этот изнуряющий процесс направлен на снижение содержания кислорода в банке (особенно при нагревании в автоклаве), чтобы уменьшить коррозию, ограничить процесс окисления пищевыми продуктами и предотвратить рост аэробных микроорганизмов, которые снизят качество и безопасность [4]. Вытяжка состоит из ленточного конвейера, трубы, снабженной распределителем, клапана для регулирования потока горячего пара и вытяжной коробки.
Принцип работы вытяжного устройства заключается в отводе горячего пара из котла через трубу, снабженную распределителем, в вытяжную камеру. Этот горячий пар используется для удаления воздуха из емкости, который проходит по направляющим в вытяжном устройстве. Время откачки устанавливается путем регулировки скорости ленточного конвейера. В то время как температура откачки регулируется регулировкой парового крана на вытяжном устройстве [5], Принцип работы процесса откачки заключается в том, что пар, подаваемый котлом, поступает по трубе в вытяжную камеру.
Этот горячий пар используется для удаления воздуха из баллона, который проходит по рельсам в вытяжной камере. Скорость процесса вытяжки регулируется регулировкой скорости движения рельсов. Кроме того, горячий пар из котла поступает по трубе [6]. Температуру в вытяжном шкафу можно регулировать с помощью парового клапана. Материал, который должен быть помещен в контейнер для выпуска, подвешивается на цепочке снаружи вытяжного шкафа. Крышка контейнера для консервирования помещается позади банки и проходит через направляющие вместе, после выхода из вытяжного ящика банка немедленно закрывается. После завершения процесса подача пара в котел прекращается, клапан подачи горячего пара закрывается, инструмент выключается и очищается [3].
Конструкция оборудования
Прототип мини-сушилки для консервирования (MCE) предназначен для предварительного приготовления и рассчитан на 154 банки в упаковке объемом 115 мл. MCE состоит из 3 частей: секции приготовления, секции подогрева и секции фильтрации. Все три детали соединены в конвейерную систему с помощью шарикоподшипников из нержавеющей стали.
Первая часть — это секция для приготовления, размером 46 х 73,5 см и вместимостью 77 банок по 115 мл, которая будет использоваться для процесса предварительного приготовления, а именно для расстановки банок и установки датчиков температуры.
Вторая часть предназначена для разогрева рыбы или предварительного приготовления. Эта секция состоит из нагревательной камеры, паропроводов, дымоходов и резервуаров для воды. Нагревательный блок размером 107 х 65,5 х 44,5 см рассчитан на 154 банки. В этой секции также имеется открывающаяся и закрывающаяся дверца, которая служит для загрузки и выгрузки банок в процессе предварительного приготовления.
Третья часть — это фильтрация воды и рыбы. Эта секция представляет собой полый ящик из нержавеющей стали, в который может поместиться одна кастрюля вместимостью 77 банок. Корпус можно поворачивать на 150 градусов, чтобы удалить остатки воды и масла, оставшиеся в процессе предварительного приготовления.
Программное обеспечение
Это оборудование с интегрированной мини-вытяжной системой оснащено цифровой системой мониторинга на базе микроконтроллера, которая позволяет контролировать качество процесса предварительного приготовления. Эта система мониторинга состоит из 4 водонепроницаемых датчиков температуры DS18B и одной термопары. Датчик DS18B используется для измерения температуры в банке, а термопара — для измерения температуры в нагревательной камере.
Значения датчика отображаются на OLED-графическом ЖК-дисплее. Если средняя температура по четырем датчикам > 80 градусов Цельсия, раздастся звуковой сигнал, и микроконтроллер начнет расчет времени разогрева. Эта система настроек упростит оператору установку времени предварительного приготовления в соответствии с желаемыми результатами обработки или установленными стандартами.
Система также может быть подключена к графическому интерфейсу компьютера для хранения данных в процессе предварительного приготовления и отображения их в графическом виде. На рисунке 2a представлена структурная схема системы мониторинга на MCE, а на рисунке 2b — блок-схема программирования для микроконтроллера ATmega328.
Реализация системы
В прототипе MCE для защиты от загрязнения используется нержавеющая сталь марки 304. На рисунке 3 показана реализация прототипа MCE. Горячий пар, образующийся из автоклава, будет направляться в камеру нагрева. Горячий пар, попавший в камеру, будет циркулировать по всему помещению и нагревать рыбу в банке. В верхней части камеры нагрева имеется дымоход.
Дымоход оснащен клапаном, который можно поворачивать вручную для отвода горячего пара, если температура в помещении превышает пороговую для приготовления пищи. В нижней части камеры для разогрева находится емкость для хранения воды, оставшейся после процесса разогрева. После завершения процесса разогрева банку вставляют во вращатель для удаления остатков воды и масла из банки [7].
В соответствии с проектом системы, описанным в предыдущей статье, было создано устройство контроля температуры MCE на базе микроконтроллера. На рисунке представлен результат реализации устройства контроля температуры. Устройство мониторинга может быть подключено к сети двумя способами: с помощью электричества из польских злотых и/или с помощью USB-порта компьютера. Данные о температуре каждого датчика, средняя температура и время нагрева будут отображаться на ЖК-экране. Используемый датчик является водонепроницаемым и выдерживает температуру более 110 градусов по Цельсию, поэтому его можно безопасно использовать в производственном процессе с использованием горячего пара.
Результат тестирования
Для проведения теста использовали 1 технологический процесс (154 банки объемом 115 мл). Рыбу, нарезанную и уложенную в банки, укладывают на противень, а на внутренней стороне мяса устанавливают датчики. На рисунке 5 показано, как разместить датчик температуры на банке. Датчик помещается внутрь рыбного фарша, чтобы температура, измеряемая в процессе предварительного приготовления, была действительно точной.
Датчик термопары свободно размещается на внешней стороне банки для измерения температурного режима в отопительном помещении. На начальном этапе процесса в автоклаве нагревается 20 литров воды. Процесс нагрева с образованием пара под давлением 1,4 бар занимает около 35 минут. После этого открывается клапан впуска пара, позволяя горячему пару поступать в камеру нагрева.
При нормальной температуре (27 градусов по Цельсию) средняя температура рыбы достигает 80 градусов через 30 минут. Данные о процессе нагрева сохраняются в приложении и отображаются на графическом рисунке 6. Микроконтроллер будет отправлять на компьютер обновленные данные о температуре каждые 1 секунду.
На графике процесса предварительного приготовления показано, что температура в помещении составляет около 70 градусов по Цельсию. Это зависит от распределения тепла по рыбным консервам. После того, как средняя температура рыбы достигнет 70 градусов по Цельсию, температура в камере для разогрева снова начнет повышаться до 85 градусов по Цельсию.
Время предварительного приготовления начинает отсчитываться, когда средняя температура на четырех датчиках DS18B20 достигнет 80 градусов по Цельсию. Согласно процедуре предварительного приготовления рыбных консервов, минимальное время разогрева составляет 12 минут. Давление пара в автоклаве во время нагрева остается стабильным и составляет 1 бар. На рисунке 7 показаны условия во время процесса предварительной обработки после 12-минутной предварительной обработки.
Общее время, необходимое для предварительной обработки, указано в таблице 1. Во время первоначального нагрева автоклава температура в нагревательном отделении составляла около 31 градуса по Цельсию. Средняя температура рыбы составляет 27 градусов по Цельсию, поскольку рыба замораживается перед забоем. Через 40 минут можно использовать пар в автоклаве (давление 1,2 бар). Затем клапан подачи пара MCE открывается примерно на 30%, чтобы водяной пар мог поступать в нагревательную камеру.
Давление в автоклаве будет медленно снижаться до 1 бар. Благодаря тому, что пар из автоклава задерживается в камере нагрева, тепло передается рыбе в банке. Используются 4 датчика, которые расположены равномерно, чтобы обеспечить равномерное распределение тепла по 154 банкам. После завершения процесса предварительной варки приступают к заправке, закрытию банок и стерилизации. Для стерилизации банок их помещают в автоклав при давлении 1 атм на 20 минут. Поскольку автоклав все еще сохраняет остаточное тепло от процесса предварительного приготовления, процесс стерилизации проходит на 25% быстрее. Таким образом, процесс стерилизации позволяет сэкономить электроэнергию на 750 Втч [8].
Вывод
Этот мини-отсасыватель размером 2 х 0,75 метра вмещает около 154 банок и изготовлен из нержавеющей стали марки 304, а снаружи мини-отсасывателя имеется вращающийся поддон для удаления жидкости из банки перед следующей обработкой. В результате выдержки температура в помещении достигает 85°C в течение 12 минут при давлении в автоклаве 1,4 бар. Мясо рыбы достигает температуры 80 градусов после нагревания на 30-й минуте. С помощью мини-вытяжной системы производственная мощность может быть увеличена до 8 раз, а эффективность использования электроэнергии — до 25%.