Распределение температуры в автоклавных системах

Роторные автоклавы непрерывного действия

Эти системы состоят как минимум из одного нагревательного кожуха и одного охлаждающего кожуха и предназначены для непрерывной обработки контейнеров со скоростью до 600 банок в минуту. Контейнеры из запечатывающей машины поступают в первую оболочку через самоуплотняющийся поворотный клапан, который поддерживает давление внутри оболочки.

Каждая оболочка имеет Т-образную спираль, постоянно прикрепленную к стене, и катушку со ступеньками для удержания контейнеров. Когда барабан вращается, контейнеры следуют по спирали через оболочку. После того, как контейнер проходит длину корпуса, он либо переносится в другой корпус с помощью поворотного перепускного клапана, либо выходит через выпускной клапан. Процедуры вентиляции и подъема выполняются без наличия контейнеров в резервуаре. Это обеспечивает большую гибкость при разработке рабочих процедур по сравнению с периодическими системами.

Роторные стерилизаторы непрерывного действия оснащены двумя или тремя вентиляционными линиями диаметром 50 мм. Типичный график вентиляции предусматривает вентиляцию агрегатов в течение 7 минут при температуре не менее 105°C с широко открытыми выпускными клапанами и хотя бы частично открытым сливным клапаном. Альтернативно, воздух может быть удален через выпускные, дренажные и продувочные линии, а не через основные вентиляционные линии. Хотя удаление воздуха таким способом занимает больше времени, чем традиционные методы вентиляции, оно требует меньшего участия оператора.

Каскадные водяные автоклавы

Каскадные водяные автоклавы Steriflow разработаны и изготовлены компанией Barriquand, Париж, Франция. Компания производит как стационарные, так и сквозные ротационные системы, которые используются по всему миру для обработки пищевых продуктов и фармацевтических препаратов. В каскадных водяных автоклавах используется высокоскоростная перегретая вода для стерилизации контейнеров с пищевыми продуктами.

Нагревание и стерилизация достигаются за счет пропаривания перегретой воды при высокой скорости потока над контейнерами. Для стеклянных банок, а также гибких и полужестких контейнеров предусмотрено максимальное давление воздуха для защиты физической целостности контейнера и герметичности. Схема автоклава показана на рисунке.

Вода нагревается с помощью сварного пластинчатого теплообменника, расположенного сзади или сбоку автоклава посередине. В однодверных агрегатах теплообменник расположен на противоположном от двери конце; в автоклавах с дверцами на обоих концах теплообменник расположен сбоку корпуса, а вода поступает в верхнюю центральную часть автоклава. Перегретая вода подается в автоклав через распределительный коллектор. Эта вода постоянно рециркулируется через теплообменник. В теплообменнике пар передает свое скрытое тепло внутренней воде, которая затем опрыскивается из распределительного коллектора на продукт. Вода стекает по контейнерам, не касаясь стенок корпуса и только части дна корпуса. Поэтому нет необходимости нагревать всю оболочку во время подъема, что позволяет сэкономить энергию.

Одна и та же вода последовательно используется для стерилизации и охлаждения продукта. Таким образом, охлаждение достигается стерилизованной водой, а это означает, что хлор не нужно добавлять без охлаждающей воды. После прохождения через контейнеры вода проходит через фильтры, которые предотвращают рециркуляцию мусора, например осколков стекла или продуктов, через систему. И водяной коллектор, и фильтры спроектированы таким образом, чтобы их можно было легко чистить. Водяной коллектор имеет откидную заслонку на конце или заканчивается рядом с дверцей, которую можно открывать и регулярно чистить. Поскольку отверстие для очистки находится напротив входа воды, весь мусор выталкивается в эту часть коллектора. Такая конструкция важна для предотвращения засорения распределительных отверстий и, возможно, уменьшения потока воды через часть коллектора. Нижние фильтры также легко снимаются и чистятся.

Первым этапом обычно является этап предварительного нагрева или этап закалки в случае стеклянных банок. Обычно указывается определенное минимальное время, чтобы обеспечить более равномерное время приготовления для каждого повара.

Второй шаг – превышение обеих временных температур. Этот шаг выполняется для того, чтобы убедиться, что ртутный термометр регистрирует запланированную температуру в начале фазы стерилизации. Этот шаг имеет решающее значение, поскольку контрольный зонд и ртутный термометр не расположены в одном месте; ртутный термометр отстает от контрольного зонда.

Третий этап – этап стерилизации. На этом этапе рекомендуется, чтобы рабочая температура была на 1°C выше запланированной температуры автоклава. Причина, общая для большинства систем перезапуска, заключается в том, чтобы убедиться, что ртутный термометр находится на уровне запланированной температуры автоклава или выше нее в течение всей фазы стерилизации. Время, температура и давление контролируются. Если контрольная температура падает ниже заданного значения, таймер останавливается до тех пор, пока снова не будет достигнута правильная температура.

Четвертый этап — это этап охлаждения под давлением, предназначенный для защиты пластиковых или полужестких контейнеров от растрескивания, а также для защиты стеклянных контейнеров от потери крышек в течение первых нескольких минут охлаждения.

Завершающий шаг — атмосферная прохлада. Фактическое время, температура и давление для каждой программы зависят от таких факторов, как рецептура продукта, материал и форма контейнера, захваченный воздух, качество продукта, а также наличие пара, воды и воздуха.

Роторные, полнопогружные, водогрейные автоклавы

Типичный роторный стерилизатор с горячей водой состоит из двух барабанов с горячей водой — верхнего (для хранения) и нижнего (рабочего) барабана. Стерилизация пищевых продуктов происходит в барабане-хранилище после поступления предварительно нагретой горячей воды из барабана-хранилища. Во время вращения клетки поворачиваются в одной и той же вертикальной плоскости внутри вращающейся структуры, называемой «роторной вставкой». Контейнеры в клетках перемещаются в горячей воде вверх дном, если они загружены в вертикальном положении.

Избыточное давление обычно создается паром в накопительном барабане, хотя с небольшой модификацией установки можно использовать пар или сжатый воздух. Поскольку во время процесса тепловая энергия в нижнем барабане передается продукту, клетям и оболочке, больше энергии поступает в рабочий барабан через внешнюю камеру смешивания или распределения пара. Пар впрыскивается непосредственно в циркулирующую горячую воду системы из рабочего барабана через диффузор, расположенный внутри камеры.

В этих установках нет прямого впрыска пара в корпус. Вода забирается из нижних или боковых отверстий, равномерно расположенных по корпусу рабочего барабана, откуда прокачивается через смесительную камеру для нагрева. Вода поступает через верхние или боковые водозаборные отверстия в рабочие барабаны по схеме циркуляции «сверху вниз» или «из стороны в сторону». Вращение клеток во время циклов подъема, нагрева и охлаждения помогает распределить тепловую энергию в системе и сокращает время циклов подъема и охлаждения.

В этих системах температура и давление контролируются независимо. Соединения датчиков температуры и давления для системы самописца расположены в кармане термометра в горизонтальной центральной плоскости рабочего барабана. Устройство измерения температуры сопротивления (RTD), иногда называемое «PT-100», расположено рядом с правой стороной передней части барабана для хранения и контролирует температуру воды в барабане для хранения. Второй термометр сопротивления контролирует температуру в рабочем барабане и располагается до или после смесительной камеры в циркуляционной линии или в гильзе ртутно-стеклянного (MIG) термометра.

После завершения фазы нагрева часть технологической воды перекачивается обратно в накопительный барабан, где она нагревается до необходимой заданной температуры для следующего цикла. Циркуляционные насосы рассчитаны на производительность примерно 400 галлонов в минуту при типичном расходе 250 галлонов в минуту. В насосах используются двухпозиционные, пропорциональные клапаны и приводы клапанов на агрегатах.

Варочный аппарат/охладитель непрерывного действия «Hydrolock»

Hydrolock — это варочный аппарат/охладитель непрерывного действия с мешалкой для высокоскоростной кратковременной стерилизации контейнеров самых разных размеров и форм. Система применима для обработки консервных банок, стеклянных банок, полужестких пластиковых и металлических контейнеров, а также автоклавируемых пакетов. Он также способен обрабатывать пластиковые и металлические контейнеры с термосвариваемыми крышками.

Основными частями системы являются водяной затвор, плита/охладитель, система крепления цепи, система охлаждения и система циркуляции воды. Контейнеры поступают и перемещаются между двумя параллельными конвейерными цепями. Эти цепи входят и выходят через воду во вращающийся герметичный шлюз, герметизированный частично водой, а частично механическими средствами. Это облегчает предварительный нагрев поступающих и предварительное охлаждение исходящих контейнеров.

После загрузки через шлюз контейнеры непрерывно транспортируются через паровую камеру и, наконец, в воду предварительного охлаждения, по которой проходит конвейер. Контейнеры выходят через тот же вращающийся шлюз, через который они вошли, и проходят по более холодному конвейеру. Гидрозатвор оборудован для создания верхнего давления во время цикла охлаждения для сохранения целостности контейнера. Охлаждение конечного продукта осуществляется за два прохода атмосферного охлаждения под сосудом высокого давления.

Банки катятся на мелководье в «кастрюле» из нержавеющей стали, толкаемой стержнями из нержавеющей стали, прикрепленными на их концах к роликовым цепям. В системе может использоваться любой теплоноситель: насыщенный пар, вода или паровоздушная смесь. Когда требуется повышенное давление воздуха, как в случае со стеклянными контейнерами, алюминиевыми банками, пластиковыми контейнерами или гибкими пакетами, воздух смешивается с паром с помощью одного или нескольких турбовентиляторов, которые производят гомогенную смесь двух газов.

Автоклав гидростатического давления

Этот метод стерилизации более известен как «гидростатическая стерилизация», поскольку давление пара в этих аппаратах поддерживается давлением воды. Гидростатические плиты представляют собой скороварки непрерывного действия, в которых рабочее давление поддерживается давлением воды.

Схема плиты представлена на рисунке. Гидростатические плиты состоят из двух компонентов: водяной камеры и паровой камеры. Температура пара в паровой камере контролируется давлением, создаваемым водяными ножками, и может регулироваться путем перемещения уровня воды в ножке. Контейнеры подаются в варочный аппарат через водяной патрубок при температуре 80°C. Это поток воды, идущий вниз, и температура контейнера начинает повышаться.

По мере того, как контейнеры движутся вниз по этой опоре, они сталкиваются с все более горячей водой. В нижней части этого колена температура воды достигает около 100°С, а затем, в районе гидрозатвора рядом с паровой камерой, температура воды составляет около 107°С. В паровой камере банка подвергается воздействию температуры 115–130°С, причем температура пара устанавливается в соответствии с стерилизуемым продуктом. После выхода из паровой камеры банка снова проходит через гидрозатвор в воду температурой около 107°C, где начинается цикл охлаждения под давлением.

Гидростатическая спираль

Главным преимуществом гидростатической плиты является ее компактный размер. Гидростатический варочный котел не имеет механических клапанов или замков и, таким образом, может представлять собой автоклав действительно непрерывного действия. Винтовой насос или гидростатическая спираль состоит из вращающейся спиральной трубки, в которой каждый виток змеевика на входе заряжается частично жидкостью и частично воздухом. Катушка вращается вокруг горизонтальной оси. При отсутствии давления на нагнетании вращающаяся катушка может дозировать жидкость со скоростью, пропорциональной скорости ее вращения.

При противодавлении нагнетания жидкость в каждом витке змеевика образует ряд дополнительных гидростатических ветвей. Развиваемый гидростатический напор зависит от количества витков спирали и диаметра. Когда катушка вращается, жидкость может попасть в катушку под действием силы тяжести только на пол-оборота, когда первый оборот (действующий как манометр) находится в вертикальном положении. Поскольку катушка продолжает поворачиваться на следующий пол-оборота, в нее может попасть только воздух, поскольку манометр перевернут. Таким образом, в спираль в повторяющемся цикле попеременно вводятся равные объемы жидкости и газа. Таким образом, винтовой насос работает со многими короткими столбиками газа.

Автоклав для поддонов непрерывного действия

Гидростатические стерилизаторы из-за их размеров и сложности систем рециркуляции воды очень дороги в изготовлении и монтаже. Стерилизатор поддонов непрерывного действия по существу представляет собой вертикальный автоклав непрерывного действия, через которую банки транспортируются на поддонах. Подача и разгрузка поддонов осуществляется без потери давления через вентиляционные шлюзы. Каждый заполненный, необработанный поддон подается с помощью реечной передачи в шлюз. После того, как наружная дверца подающего шлюза закрывается, вводится пар сначала при атмосферном давлении для удаления воздуха из поддона и камеры, а затем под давлением для уравновешивания шлюза с автоклавом.

После цикла вентиляции и уравновешивания поддон перемещается вперед до тех пор, пока он не окажется у основания автоклава. Поддоны медленно движутся вверх на своих четырех железнодорожных колесах. Обработанные поддоны покидают верхнюю часть автоклава через шлюзовой затвор. Гибкость автоклава с точки зрения типа контейнера аналогична автоклаву непрерывного действия с поддонами благодаря способности круглого сосуда выдерживать гораздо более высокое давление, чем прямоугольная гидростатическая стерилизационная башня. В качестве стерилизующей среды можно использовать струи горячей воды под избыточным давлением воздуха и пара с наложенным давлением воздуха. Это оборудование можно использовать для непрерывной обработки пакетов, полужестких алюминиевых контейнеров, полупаровых лотков для учреждений и стеклянных банок.

Пламенные автоклавы

Инфракрасное излучение как непрямой источник тепла было использовано в пламенных стерилизаторах/плитах. Пламенные плиты пытаются увеличить разницу температур между источником тепла и пищевым продуктом, а также скорость проникновения тепла. При увеличении скорости возбуждения вероятность ожога заметно снижается. Газовые горелки с температурой 1100°C служат источником тепла для придания высокотемпературного кратковременного эффекта. Банки размещаются в непосредственной близости (всего на расстоянии нескольких миллиметров) от горелок и поддерживаются в постоянном вращении, при этом перепад температур внутри банки и содержимого не превышает 1°С. Таким образом, даже полностью литографированные банки можно нагревать без повреждений. Нет возможности создать противодавление, поэтому банки должны быть достаточно жесткими, чтобы выдерживать внутреннее давление пара.

Для продуктов с низкой вязкостью возможны чрезвычайно высокие скорости повышения температуры содержимого (например, 0,25°C/с). Устройство зависит от непрерывного осевого вращения (около 120 об/мин) для перемещения банок вдоль горелок и получения внутренней турбулентности. Некоторые агрегаты имеют секцию предварительного нагрева паром.

Схема установки представлена на рисунке. Агрегаты Steriflame состоят из трех секций. Первый представляет собой паровой подогреватель, в котором банки нагреваются до температуры примерно 100°С. Во второй секции банки проходят через серию открытого огня при температуре 1100°C, создаваемого специально сконструированными газовыми горелками. Перекатывание банок увеличивает скорость передачи тепла во всю массу продуктов. Далее банки проходят через периодически нагреваемую секцию выдержки горелки в течение примерно 4–5 мин. Охлаждение распылением следует за циклом нагрева. Общее время, прошедшее в варочном аппарате, обычно меньше, чем необходимое для периодической автоклавирования.

Стерилизация в псевдосжиженном слое

Автоклав с псевдосжиженным слоем представляет собой печь, в которой в качестве теплоносителя используются песок или керамические гранулы. Среда поддерживается горячей и текучей за счет пламени внизу и потока воздуха. Частицы ведут себя подобно кипящей жидкости. Банки перемещаются по слою, встречая такое же сопротивление, как если бы среда представляла собой густую жидкость, получающую некоторое абразивное воздействие от частиц. Главным преимуществом системы является контроль равномерной температуры. Процесс является непрерывным, и одновременно можно стерилизовать несколько размеров. Основными недостатками являются возможность возгорания и изменения цвета поверхности банок, а также повреждения уплотнений банок.

Горячая стерилизация воздухом

Горячий воздух с очень высокой скоростью (около 600 м/мин) используется для уменьшения толщины нетурбулентного слоя воздуха, примыкающего к поверхности банки. Высокая скорость воздуха, превышающая 150°C, также создает большую разницу температур между поверхностью и содержимым. Банки прокатываются в осевом направлении для создания принудительной конвекции внутри банки, что снижает вероятность подгорания или переваривания.

Распределение температуры в автоклавных системах

Необходимо провести многочисленные критические испытания, чтобы правильно установить коммерческие процессы стерильности для любого применения в автоклаве. Установление «планового» процесса (т. е. коммерческой стерильности) органом технологического процесса зависит не только от способности предприятия пищевой промышленности должным образом контролировать критические факторы, которые относятся к предавтоклавной подготовке продукта и упаковке, в которой пищевой продукт подлежащих стерилизации, но и на те факторы, которые конкретно связаны с проведением термического процесса к упакованным продуктам питания. Способ проектирования, установки и эксплуатации стерилизатора имеет решающее значение. Неспособность решить эти проблемы будет иметь прямое и существенное влияние на летальность (значение стерилизации), рассчитанное (и фактически полученное в) процессе. FDA не только требует проведения испытаний на распределение температуры, но также ожидает, что будут собраны определенные данные и процедуры. последовал. Кроме того, правила требуют, чтобы эти данные оценивались «признанным компетентным органом процесса».

Традиционными средствами проверки приемлемых условий технологического процесса является использование термопар, термометров сопротивления или термостатов для создания истории изменения температуры и времени в заранее назначенных стратегических местах внутри стерилизатора. Эти данные собираются с «нулевого времени» (когда нагревательная среда впервые контактирует с контейнерами в рабочем барабане) до «подлежащего определению времени», когда все устройства измерения температуры соответствуют показаниям после стерилизатора, устройства индикации и регистрации температуры.

Самое главное, решающее значение имеет время, в течение которого провод с наименьшей температурой достигает истинной «заданной температуры» программы управления. Это точное соотношение времени и температуры является традиционной контрольной точкой расчета процесса, от которой определяется время выдержки процесса. «Официальным эталонным прибором», по которому настраиваются все остальные устройства контроля температуры стерилизатора, является термометр MIG. Все показания термопары должны быть сравнимы с показаниями термометра MIG. Таким образом, распределение температуры — это однородность температур стерилизатора и стабильность температур стерилизатора в любой момент времени в течение всего технологического цикла, включая фазы подъема, выдержки и охлаждения.

На распределение температуры в стерилизаторах периодического действия, роторных или водогрейных стерилизаторах влияют многочисленные условия и особенности системы.

(i) Начальная температура продукта: более низкие начальные температуры обычно удлиняют время нагревания в автоклаве и ухудшают однородность и стабильность температуры.

(ii) Температура барабана для хранения: температура барабана для хранения обычно программируется так, чтобы она была на 15–20°C выше заданной контрольной точки в рабочем барабане. Если температура падения горячей воды слишком высока, некоторые полужесткие и гибкие контейнеры могут быть повреждены, а температурный градиент между внешней и внутренней частью контейнерной клетки может стать чрезмерным. Если температура падения горячей воды слишком низкая, то произойдет слишком сильный нагрев рабочего барабана, что создаст большие температурные градиенты.

(iii) Вентиляция рабочего автоклава: слишком длительная вентиляция рабочего автоклава во время стерилизации удаляет из системы чрезмерную энергию, продлевает время выхода на поверхность и требует большего впрыска пара в смесительную камеру во время фазы выхода на поверхность. Слишком короткое время удаления воздуха не позволяет правильно выполнить этап заполнения барабана-хранилища/рабочего барабана и вызывает проблемы с контролем давления в рабочем автоклаве. В идеале подходящее время вентиляции составляет примерно ½ мин на клетку (т. е. 2 мин для установки с 4 клетками длиной 1100 мм).

(iv) Расположение РДТ рабочего автоклава: контрольный РДТ может быть расположен до или после смесительной камеры на линии циркуляции воды. Когда РДТ расположен после смесительной камеры, устройство контроля измеряет самую горячую воду в циркуляционной системе; это приводит к менее агрессивной реакции парового клапана и более медленному, но более плавному повышению температуры на этапе повышения температуры. Если термометр сопротивления расположен перед смесительной камерой, устройство управления измеряет самую холодную воду в системе, а паровой клапан смесительной камеры испытывает «запаздывание реакции», будучи полностью открытым в течение слишком долгого времени. Это вызывает перерегулирование температуры в конце периода повышения температуры.

(v) Тип и геометрия контейнера: низкопрофильные контейнеры (банки, пакеты, пластиковые лотки или миски) необходимо загружать в стеллажные системы, что может привести к образованию значительного количества слоев клеток. Увеличенные слои создают повышенное сопротивление потоку теплоносителя. Как правило, полностью загруженные большие цилиндрические контейнеры имеют более короткое время подъема и улучшенную однородность температуры на всех этапах процесса.

(vi) Система обработки контейнеров: клетки, перегородки и стеллажи для обработки контейнеров должны быть спроектированы так, чтобы обеспечить максимальную открытую площадь поперечного сечения (CSA), создаваемую прорезями или перфорациями по бокам и днищу клеток. Распорные маты или разделительные листы между слоями контейнеров должны быть рассчитаны на максимальную открытую площадь, чтобы улучшить поток воды мимо поверхностей контейнера.

(vii) Скорость вращения: как правило, по мере увеличения скорости вращения время выхода на поверхность уменьшается, а однородность и стабильность температуры улучшаются.

(viii) Количество клеток: чем больше установка и чем больше клеток, тем медленнее время подъема и тем больше разница температур в барабане, которую необходимо преодолеть.

(ix) Конструкция автоклава и условия эксплуатации: независимо от производителя автоклава рекомендуется проводить исследования распределения температуры в каждой партии полнопогружного ротационного автоклава с горячей водой.

Модификации конструкции, настройки клапанов, заблокированные порты и количество автоклавов, работающих одновременно, в сочетании с другими потребностями в паре на установке будут влиять на результаты испытаний и должны тщательно контролироваться. Ротационные автоклавы, добавляемые к существующей линии, также должны быть проверены на распределение температуры.

Вакуум

Выпуск воздуха из контейнеров следует контролировать, чтобы он соответствовал условиям, для которых был разработан процесс. Вакуум в консервах можно получить путем предварительного нагрева продуктов перед закрытием. При создании вакуума таким способом продукт можно нагревать перед наполнением или его можно нагревать как до, так и после наполнения. В этом случае тепло используется для расширения продукта, расширения и вытеснения окклюдированных и растворенных газов в продукте, а также для уменьшения количества воздуха в свободном пространстве перед закрытием.

Продолжительность нагрева и конечная температура, достигнутая перед закрытием, имеют очень важное отношение к предельному вакууму в банке. Нагрев можно осуществлять, пропуская наполненную банку через вытяжную коробку для пара или горячей воды. Обработку выпускного короба принято называть «термическим выхлопом», а предварительный нагрев перед заполнением — «горячим заполнением». Вытяжные коробки, как правило, лучше всего подходят для консервированных продуктов, которые можно легко разогреть, таких как фрукты и овощи, упакованные в рассоле или сиропе. Основными недостатками вытяжных коробов являются их громоздкость и большая потребность в пару.

При механическом вакуумном закрывании с помощью высокоскоростных вакуум-укупорочных машин заполненные банки в холодном состоянии или при довольно низкой температуре подаются в клинчер, который свободно сжимает крышки, не образуя воздухонепроницаемого уплотнения. Затем банки переносят через подходящий клапан в вакуумную камеру, подвергают некоторое время воздействию вакуума в вакуумной камере, герметизируют, а затем выбрасывают через другой клапан.

Вакуум, создаваемый машиной, когда банки находятся в вакуумной камере, может варьироваться в широком диапазоне, в основном в зависимости от желаемого конечного вакуума в банке, а также от температуры жидкого содержимого. Этот метод удаления воздуха из консервов подвергает содержимое вакууму на довольно короткий промежуток времени перед закрытием. Таким образом, воздух отводится главным образом из свободного пространства и лишь частично из самого продукта, и для правильной работы необходима правильная регулировка свободного пространства.