МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Український державний університет харчових технологій

ВАРФОЛОМЄЄВ

АНТОН ЙОСИПОВИЧ

УДК 621.798

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ СТАБІЛІЗАЦІЇ ЯКОСТІ

РІДКИХ ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ

Спеціальність 05.18.12 – процеси та обладнання харчових,

мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій.

Науковий керівник професор Сторіжко Йосип Іванович, зав. кафедрою технічної механіки та паку-вальної техніки Українського державного університету харчових технологій.

Офіційні опоненти: Домарецький Віталій Афанасійович – док-тор технічних наук, професор, завідувач кафедри біотехнології продуктів бродіння, екстрактів і напоїв Українського держав-ного університету харчових технологій;

Ковальчук Володимир Петрович – канди-дат технічних наук, завідувач відділом Ук-раїнського науково-дослідного інституту спирту і біотехнології продовольчих продуктів Міністерства аграрної політики України.

Провідна установа: Інститут харчової хімії і технології Національної Академії Наук України та Міністерства аграрної політики України

Захист відбудеться "13"березня 2002р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 в Українському державному університеті харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ-33, вул. Воло-димирська, 68, аудиторія А-311.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Українського державного університету харчових технологій.

Автореферат розісланий 08.02.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Зав'ялов В.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення конкурентноспроможності вироблених в Україні рідких харчових продуктів на внутрішньому та зовнішньому ринках є невідкладним завданням. Вирішення цієї задачі лежить на шляху зниження питомих витрат, підвищення якості продукції та подовження термінів її зберігання і реалізації. Невідкладним є подальший розвиток технологій фасування в поєднанні зі зниженням енергетичних витрат. В теперішній час вітчизняні та закордонні науковці багатосторонньо вивчають процеси фасування напоїв, їх оформлення, можливості досягнення летального ефекту та зменшення питомих енерговитрат.

У галузі виробництва, фасування та теплової обробки рідких харчових продуктів існують невикористані резерви для удосконалення процесів, підвищення якості продукції та зменшення питомих енерговитрат. Традиційні методи вирішення цих питань практично вичерпали свої можливості. Потрібен новий підхід на основі сучасних уявлень про особливості технологій, явищ, взаємозв'язків між різними компонентами.

Вдосконалення процесів з комплексним поєднанням інтересів всіх складових, нові погляди на можливості досягнення летального ефекту, впливи вакуумної обробки дозволяють вдосконалювати існуюче обладнання й розробляти нові способи та їх технічне забезпечення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до пріоритетного напрямку робіт УДУХТ на 1996-2000 р.р. "Розробка наукових основ теплообмінних процесів харчових виробництв з метою створення нового високоефективного обладнання, законів механізації та комплексної автоматизації для харчових і переробних галузей АПК", а також у зв'язку з виконанням Держконтракту № 1/81-95 від 16.06.95 р. "Розробити і впровадити технологію виробництва продуктів харчування з подовженим терміном зберігання".

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в удосконаленні існуючих та розробці нових методів обробки і впливів на основі теоретичних та експериментальних досліджень процесів підготовки, фасування та фізичних методів обробки тари і упаковок для підвищення якості продукції та зменшення питомих енергетичних витрат.

Для досягнення вказаної мети були поставлені і розв'язані такі задачі:

·

· розроблено аналітичні моделі, які встановлюють взаємозв'язки між геометрією упаковок, перепадом тисків під час фасування, пастеризації, стерилізації чи зберігання, умовами досягнення бактерицидних ефектів та забезпечують мінімізацію витрат матеріалу на виготовлення упаковок;

· виконано розробки для забезпечення необхідних технологічних та бактерицидних ефектів в потокових системах для пастеризації пива та напоїв, забезпечення асептичної підготовки склотари стосовно діючих виробництв.

· поглиблено теоретичну базу щодо ефектів вакуумної обробки тари та продукції і здійснено наробки по оцінці різкого зменшення тиску в упаковках з газованою продукцією та явищ, які таке зменшення супроводжують;

· розроблено поглиблені методики розрахунків, які стосуються витрат енергії під час фасування, в процесах пастеризації, стерилізації та рекуперації енергії в досліджуваних системах;

· здійснено промислове впровадження результатів теоретичних та лабораторних досліджень і одержано оцінку ефективності їх використання.

Об'єктами досліджень є системи підготовки, фасування та методів фізичної обробки тари й упаковок.

Предметами досліджень є тара та упаковки фасованої продукції.

Методи досліджень включають в себе моделі, стандартні методи мікробіологічних досліджень, розроблені методики досліджень по оцінці методів впливу на мікрофлору, аналітичні дослідження з використанням комп'ютерних технологій.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень науково обгрунтовано удосконалення підготовки і фасування газованих напоїв.

Доопрацьована математична модель, яка встановлює взаємозв'язки між термодинамічними параметрами процесів фасування продукції та геометричними параметрами упаковок.

Вперше формалізовано взаємозв'язки між параметрами фасування газованих напоїв і питомими енерговитратами на їх охолодження.

Досліджено впливи надвисокочастотних електромагнітних полів і показано, що в межах існування однієї генерації мікроорганізмів летальний ефект пояснюється тепловими впливами.

Створена концепція, що розвиває використання вакуумних технологій в асептичній обробці тари.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень доповнюють наукову базу процесів підготовки продукції, фасування та фізичної обробки оболонок упаковок і фасованої продукції. Встановлені взаємозв'язки між термодинамічними параметрами фасування та геометрією упаковок дають можливість подальшого розвитку теорії масообміну газонасичених розчинів в герметизованих об'ємах.

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень реалізовані за такими напрямами.

Розроблена методика розрахунків по визначенню тиску в герметизованих оболонках з газованими напоями.

Сформульовані принципи зменшення питомих енерговитрат на охолодження напоїв.

Показана можливість досягнення асептичного стану скляних пляшок за рахунок вакуумування на рівні тисків 0,005-0,01 МПа.

Показана можливість підвищення на 50 % холодопродуктивності холодильних компресорних установок за рахунок зміни термодинамічних параметрів фасування газованих напоїв.

Показана можливість зниження питомих витрат теплової енергії в пастеризаторах пива тунельного типу.

Розроблена нова конструкція деаераційно-охолоджувального пристрою для виробництва напоїв (патент України № 41220 А МПК В 01 Д 19/00, Бюл. №7, 15.08.2001).

Визначена економічна доцільність впровадження системи підготовки склотари на Хмельницькому пивзаводі в 210 тис. грн. за рік.

Особистий внесок здобувача полягає в критичному аналізі методів та параметрів впливу на продукцію, комплексній оцінці явищ, що супроводжують підготовку тари до фасування і самого фасування, розробці математичних моделей по визначенню взаємозв'язків між геометричними, силовими та термодинамічними параметрами, розробці методики досліджень по оцінці рівня летального ефекту, комплектації лабораторної установки і проведенні експериментальних досліджень та обробці їх результатів, розробці рекомендацій по впровадженню нових технологій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися на наукових конференціях УДУХТ, наукових семінарах кафедри "Технічна механіка та пакувальна техніка" УДУХТ; семінарі 6-ї міжнародної спеціалізованої виставки "ПРОДПАКЕКСПО-2001" (м. Київ, березень 2001 р.) в доповіді "Екологічні аспекти виробництва напоїв у поєднанні з процесами фасування та енергоощадливими технологіями"; 7-й міжнародній конференції "Пріоритетні напрями впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання та нових видів продуктів оздоровчого і спеціального призначення" (Київ, жовтень 2001 р.).

Робота виконувалась на кафедрі "Технічна механіка та пакувальна техніка" Українського державного університету харчових технологій. Автор висловлює подяку працівникам Хмельницького пивзаводу, КОП "Росинка", "Пивзаводу на Подолі" за допомогу у виконанні досліджень.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 10 друкованих праць, в тому числі 3 публікації у фахових виданнях, 3 тези доповідей на Міжнародних науково-технічних та наукових конференціях, отримано 1 патент України.

Структура і обсяг роботи. Основний зміст дисертації викладено на 116 сторінках машинописного тексту, який складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків. Робота містить 20 рисунків, 12 таблиць, список літературних джерел, який налічує 98 найменувань, та додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована доцільність і актуальність дисертаційної роботи. Відмічено необхідність об'єднання та наукового вивчення технологічних проблем забезпечення довготривалого зберігання продукції, енергоощадливих технологій разом з вибором геометрії упаковок.

В першому розділі проведено аналіз літературних джерел, які стосуються технологій обробки продукції на рівні досягнення пастеризаційного та стерилізаційного ефектів, оцінки енерговитрат в процесах фасування і термічної обробки та взаємозв'язків технологій з геометрією упаковок.

За результатами аналізу літературних джерел зроблено такі висновки.

1. Технології більшості харчових виробництв зорієнтовані на забез-печення довготривалого зберігання продукції за рахунок знешкодження мікроорганізмів, інактивації ферментів та попередження подальшого інфікування під час зберігання або створення умов, що роблять неможливою життєдіяльність мікроорганізмів.

2. Домінуючими з числа технологій є термічна обробка продукції або використання консервантів поруч з висушуванням, заморожуванням тощо.

3. З точки зору інтересів рекуперації теплової енергії при термічній обробці готової продукції важливе значення має загальна технологія виробництва. Для тих видів продукції, фасування якої здійснюється за низьких температур, створені та удосконалюються системи рекуперації. У випадку фасування гарячої продукції інтервал догрівання її до температур стерилізації обмежений, що створює труднощі рекуперації теплової енергії в традиційному оформленні таких процесів. Низькопотенціальні вторинні теплові ресурси практично не використовуються.

4. За термічної обробки фасованої продукції в режимі пастеризації зростання внутрішнього тиску в упаковках є необов'язковим і небажаним наслідком, який враховується вибором матеріалу та геометрії оболонок.

Процес стерилізації обов'язково супроводжується зростанням внут-рішнього тиску. Вибором співвідношення об'ємів рідинної та газової фаз в упаковці можна уникнути додаткових енергетичних витрат на утворення вторинної пари в герметизованому об'ємі упаковки.

5. Фасування газованих напоїв потребує зниження температури продукції та підвищення тиску фасування. За рахунок зростання тиску фасування можна наблизити температуру напоїв до температури природної води і обмежити енерговитрати на охолодження. Перехід на фасування з підвищеним тиском потребує коректив геометрії упаковок для забезпечення умов міцності та їх оптимізації за критерієм мінімальних економічних витрат.

6. Висока інтенсивність пошуків на предмет використання електро-технологій, магнітної обробки та інших фізичних впливів не привела до створення промислових зразків обладнання. Пояснюється такий стан нестабільним і низьким рівнем летального ефекту.

7. Виключаючи теплову обробку за всіма іншими фізичними методами впливів залишаються відкритими питання про механізми досягнення летального ефекту. Відсутні спроби пояснити механізм впливу вакуумної обробки на мікрофлору продукції.

8. Подальший розвиток технологій забезпечення довготривалого зберігання харчової продукції прогнозується в сферах екологічної безпеки (обмеження та виключення консервантів), грунтовного зменшення матеріальних та енергетичних витрат за рахунок рекуперації вторинних енергоресурсів, принципово нових технологій з обмеженням термічних впливів та пристосування до них форми та геометрії упаковок продукції.

Вирішення поставлених питань потребує комплексної оцінки процесів, які супроводжують підготовку продукції до фасування, фасування та обробку після фасування, застосування положень термодинаміки, кінетичної теорії газів, теорії двофазних систем "газ-рідина", гідравліки, гідродинаміки, опору матеріалів, математичної статистики, матеріалознавства та ін. Дослідженням в галузі удосконалення технологій обробки продукції присвячені роботи таких відомих вчених як Гулий І.С., Флауменбаум Б.А., Верхівкер Я.Г., Українець А.І., Домарецький В.А., та ін.

Проте, як засвідчують висновки по розділу 1, вимогам сучасного розвитку відповідає перегляд багатьох положень традиційних систем на основі поглиблення і розвитку теоретичних положень. Враховуючи це в дисертаційній роботі сформульовано завдання досліджень і розробок.

Другий розділ присвячений аналізу процесів фасування газованих напоїв за підвищеного тиску. Насичення напоїв діоксидом вуглецю передбачається технологіями їх виробництва і саме вони визначають глибину хімічних зв'язків СО2 з компонентами системи. Звичайно, оцінку розчинності СО2 в напоях здійснюють з використанням закону Генрі. У відповідності з ним константа насичення СО2 за фіксованої температури прямопропорціональна величині парціального тиску його в газовій фазі. Іншим параметром впливу на розчинність є температура рідинної фази. За рахунок саме цих параметрів впливу досягається можливість фасування з забезпеченням нормативного вмісту СО2. Хоча обидва параметри достатньо ефективні, в інтересах забезпечення процесів фасування і закорковування у них є принципова відмінність. Показник температури внаслідок теплової інерції системи "газ-рідина" залишається стабільним під час і після фасування, тоді як підвищений тиск після розгерметизації упаковки миттєво припиняє свою дію по утриманню СО2 в розчиненому стані.

Проте, порушення стану рівноваги в системі "газ-рідина" не приводить до миттєвого виділення СО2, оскільки виділення газової фази і утворення пухирців також характеризується певною інертністю. Саме за рахунок останньої для значної номенклатури напоїв, вин, сидрів тощо вдається перейти до фасування за підвищених тисків і температур. При цьому слід віддавати перевагу обладнанню, в якому передбачається можливість фасування газованих напоїв з температурою від +2 до +18° С. В результаті підвищення температури зменшуються енерговитрати на охолодження і різниця температур середовища та упаковок з продукцією. В результаті останнього вдається уникнути точки роси і зволоження пляшок (банок), яке ускладнює оформлення виробів етикетками. Окрім того, підвищення температури напоїв, що фасуються, приводить до зменшення температурних напружень в банках (пляшках).

Для оцінки можливостей використання нових технологій здійснено аналіз впливів фізико-хімічних властивостей напоїв на стійкість системи "газ-рідина", об'ємів витратних резервуарів, співвідношень між об'ємами рідинних та газових фаз, парціального тиску СО2 в газовій фазі витратного резервуару, гідродинамічних режимів передавання напоїв, температури напою під час фасування та температури пляшок (банок), тиску, що досягається в пляшках під час вакуумування, та часу вакуумування, динаміки розгерметизації пляшок після фасування та часу перебування їх в розгерметизованому стані. Показано, що втрати СО2 і дестабілізація стану рівноваги в системі "газ-рідина" за інших рівних умов відбуваються завдяки існуванню газових прошарків (подушок) в резервуарах (і упаковках) на основі саме повітря. В газовій частині об'єму парціальний тиск СО2 на початку процеса дорівнює нулю і тому через поверхню розділення середовищ починається активний перехід діоксиду вуглецю з рідинної частини в газову. Хоча з глибинних шарів системи газовиділення у вигляді пухирців місця не має завдяки рівності загального тиску в газовій фазі та парціального в центрах утворення пухирців, однак дифузійне перенесення СО2 має місце і втрати його достатньо відчутні. Втрати розчиненого діоксиду вуглецю помітно зростають під час звільнення резервуарів і можуть досягати 15-20 % від загальної кількості.

Збурення по умові рівноваги системи досягається також за рахунок різниці температур оболонки (пляшки, банки) та напою. Ця різниця досягає 15-20° С і на початку фасування викликає в результаті контакту напоїв зі стінками оболонки швидке утворення піни і заповнення останньою більшої частини внутрішнього об'єму. Потрапляння піни в газовідвідні канали дозаторів припиняє подальше заповнення оболонок. Саме початок фасування супрводжується головним недоліком, хоча певний вплив має і загальний тепловий баланс (табл. 1).

Таблиця 1

Температура напоїв і пляшок після завершення процесу фасування

tпл., оС tнап., оС 2 5 10 15 20 25 30 40 50

0 1 2 5 0,275 1,140 2,0 4,590 0,689 1,480 2,410 5,0 1,380 2,240 3,100 5,690 2,070 2,930 3,800 6,380 2,760 3,620 4,480 7,070 3,450 4,310 5,170 7,750 4,160 5,0 5,860 8,450 5,500 6,380 7,240 9,830 6,890 7,760 8,600 11,200

Вакуумування оболонок перед фасуванням супроводжується не тільки асептичними впливами, а також приводить до певної корекції теплового балансу.

Вакуумування оболонки приводить до зниження температури залиш-кового повітря. Результати розрахунків по визначенню температури Т2 за вакуумування і відомих значень тиску Р1 на початку, Р2 наприкінці та початкової температури Т1 наведено в табл. 2.

Таблиця 2

Співвідношення параметрів повітря в пляшці за вакуумування

Р1, МПа Р2, МПа Т2, К (при k=1,4) (при n=1,2) Т2, К (при n=1,2)

0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,04 0,03 0,02 0,01 0,005 2,5 3,333 5,0 10,0 20,0 1,3 1,41 1,585 1,932 2,356 225,1 207,8 184,8 151,7 124,36 1,16 1,22 1,306 1,47 1,64 252 240 224 199,3 178,7

Різке зниження тиску викликає миттєве кипіння вологи на стінках пляшки і, очевидно, в середині мікробних клітин, що повинно приводити до летального ефекту мікроорганізмів.

Викладене приводить до висновку про необхідність створення в системах фасування газової подушки тільки на основі СО2 і якомога більшого ступеню вакуумування.

Встановлено, що підвищення тиску фасування газованих напоїв за інших рівних умов (навіть за відсутності вакуумування) приводить до позитивного ефекту охолодження газового середовища в витратному резервуарі фасувального автомату і в упаковці на момент початку фасування. Зважаючи на те, що газова фаза при цьому стиснута до аналогічного показника в резервуарі фасувального автомату, загальний ефект впливу стає відчутним.

Одержано залежності по динаміці зміни газового складу суміші в системі "наповнювані упаковки-автомат" і показано, що і з цієї точки зору підвищення ступеню вакуумування дає позитивний результат.

Різке зниження тиску за розгерметизації упаковок також прогнозується як чинник летального ефекту, бо порушення умов рівноваги приводить до десорбції СО2 не тільки з рідини, а і з мікробних клітин. На таку перспективу вказують масові та об'ємні показники десорбції СО2 (табл. 3).

Таблиця 3

Значення констант насичення води діоксидом вуглецю за різних тисків

Тиск, МПа 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Сн при 20о С, г/л 12,3 10,8 9,2 7,8 6,1 4,6 3,0 1,5

Сн при 0о С, г/л 23,5 20,5 17,5 14,6 11,7 8,8 5,8 2,8

Якщо, наприклад, тиск фасування складає 0,5 МПа, а атмосферний тиск (після розгерметизації) – 0,1 МПа, то за температури напою 0° С різниця констант насичення діоксидом вуглецю становитиме 14,6 – 2,8 = 11,9 г/л. За температури води 20° С відповідно одержуємо 7,8 – 1,5 = 6,3 г/л. Таким чином, потенціальні втрати розчиненого СО2 зростають в кількісному значенні за зниження температури напою, однак абсолютне значення Сн за низьких температур буде більшим. В останньому випадку по вмісту розчиненого СО2 система наближається до нормативних показників. Очевидно, що за зростання різниці ДСн зі збільшенням початкового тиску рівень стабільності (по рівновазі) системи "газ-рідина" зменшується. У зв'язку з цим відповідно зменшується час, за який необхідно здійснити закорковування упаковки. Фізико-хімічні властивості рідинної фази і відповідно рівень зв'язків СО2 з її компонентами, а також час знаходження системи без збурень визначають її "інерційні" властивості по появі центрів утворення пухирців газової фази і їх зростанню. По кожному з видів напоїв, у зв'язку з викладеним необхідно визначати допустимий час перебування системи в розгерметизованому стані.

Ступінь вакуумування пляшок проявляється на стані перебування газової фази системи "фасувальний автомат-пляшки". Підрахунки показують, що за умови адіабатного вакуумування в пляшці об'ємом 0,5 л залишається 0,331?10-3 кг повітря, з яких 0,305?10-3 кг повертається в напірний бак за фасування. Встановлено закономірності динаміки зміни складу суміші. Якщо на початковий момент часу ф(п) кількість діоксиду вуглецю А(п), а кількість повітря, що поступає від однієї пляшки, – В(п), то загальна кількість суміші становить А(п) + В(п). За скидання в атмосферу кількості газової суміші Во кількість втраченого СО2 становить

.

Після проходження n-ої пляшки через систему кількість СО2, що в ній залишається, дорівнюватиме

.

Аналіз одержаних залежностей вказує на те, що за умови компенсації втрат суміші додаванням діоксиду вуглецю буде досягнуто якийсь новий рівноважний стан. При цьому кількість повітря, що залишається в пляшках після вакуумування, також спрацьовує на цю компенсацію. Таким чином і з цієї точки зору поглиблення ступеня вакуумування спрацьовує на підвищення якості продукції, бо кисень в газовій фазі значно зменшує колоїдну стійкість напоїв. З точки зору досягнення найкращих умов фасування є варіант роботи фасувального автомату зі скиданням газової фази з пляшок при їх заповнюванні в атмосферу, хоча реалізація такої технології має деякі складності, пов'язані з необхідністю реконструкції обладнання.

Третій розділ присвячено дослідженню взаємозв'язків між геометрич-ними параметрами упаковок і показниками процесів фасування, в тому числі динаміці зміни тиску в оболонках упаковок під час фасування та зберігання продукції. Встановлено взаємозв'язки між внутрішнім тиском в упаковках, їх геометричними параметрами, напруженнями та витратами матеріалів на створення упаковок. Сформульовано умови мінімізації витрат матеріалів на виготовлення упаковок.

Фасування газованих напоїв здійснюється за температур і тисків, які відрізняються від нормальних умов. На момент закорковування маємо атмосферний тиск, а температуру напоїв – близьку до температури фасування. З часом температура напою має зрівнятися з температурою навколишнього середовища і це супроводжуватиметься підвищенням тиску. Назване явище має два негативні впливи.

По-перше, збільшення внутрішнього тиску приводить до зростання напружень в матеріалі оболонки і, по-друге, перехід СО2 в газову фазу є незворотньою втратою для продукції. Останнє означає, що вміст розчиненого діоксиду вуглецю, який забезпечується сатурацією і відповідний показник в реалізованій продукції не будуть співпадати. На підвищення тиску в оболонці спрацьовує також теплове розширення продукту.

Вказані два чинники знаходяться у взаємодії. На основі рівнянь кінетичної теорії газів і з врахуванням закону Генрі одержано розрахункові формули по визначенню співвідношень параметрів. Так зміна температури приводить до зміни об'єму та виділення СО2 і тиск дорівнюватиме:

,

де Мо – початкова маса діоксиду вуглецю; – прирощення маси СО2 в газовому об'ємі, яке залежить одночасно від температури і тиску; – початковий об'єм газової фази; k – стала Больцмана; Т – температура середовища; m – маса однієї молекули СО2.

За фіксованих величин, що входять до останньої формули, зростання температури Т викликає збільшення тиску. Тому на питання відносно можливості виділення розчиненого діоксиду вуглецю відповідь одержуємо, використовуючи діаграму кривих розчинності (рис. 1).

Нехай температура продукту на початку процесу складає t1. Тоді точкам 1 та 2 на ізотермі t1 відповідають значення концентрацій С(н)1 та С(н)2, які за тиску Р = 0,1 МПа визначають ступінь перенасиченості (при фасування за підвищених температур), а точці 3 – рівноважний стан по С(н)3. За нових значень t2 та Р2 маємо величину насичення рідинної фази С(н)4. До стану з С(н)4 система повинна перейти обов'язково і, якщо за останнім виразом одержана величина тиску приводить до умови С(н)4 = С(н)3, то це означає, що виділення газової фази не матиме місця і, навпаки, відбуватиметься абсорбція. Якщо ж за умовою пересичення мають місце співвідношення С(н)1 > С(н)4 або С(н)2 > С(н)4, то діоксид вуглецю буде виділятися з рідини.

Температурне розширення напою є обов'язковим і досягнення відповідного тиску Р2 відбудеться, а за теплового розширення в перехідному процесі зменшуватиметься концентрація Сt. За умови С(н)4 > Сt подальше зростання тиску не відбудеться.

Розроблено алгоритм розрахунків, який дозволяє відслідкувати динаміку зміни тиску та визначення тиску і температури фасування, що забезпечують нормативний показник вмісту СО2.

В основу алгоритму розрахунків прийнято припущення, що теплове розширення рідини відбувається зі зберіганням в якійсь мірі перенасичення, проте початкові та кінцеві координати процесу цілком визначені.

Показники тиску в упаковці та геометрія останньої дозволяють перейти до розрахунків, пов'язаних з одержанням умов міцності та оптимізації упаковок по витратам матеріалів. Складено аналітичний апарат, який дозволяє для ізооб'ємних груп упаковок знайти співвідношення між числом упаковок, питомими поверхнями, товщинами оболонок і питомими витратами матеріалів на їх виробництво та поєднати ці показники з інтересами фасування і термічної обробки.

Знайдено співвідношення параметрів, за яких мінімізуються колові та меридіональні напруження в циліндричних оболонках. Ці ж співвідношення відповідають мінімізації поверхонь упаковок та витрат матеріалів.

Так для циліндричних оболонок упаковок з мінімізованою площею поверхні (при цьому діаметр d і висота h рівні) рівними будуть колові напруження уt і меридіональні напруження уm, а маса М матеріалу і упаковок знаходиться за виразом

,

де р – внутрішній тиск в упаковці; с – густина матеріалу оболонки; [у] – допустиме напруження матеріалу оболонки на розтягування.

Показано, що за виконання умов міцності загальні витрати матеріалу для системи ізооб'ємних упаковок від кількості n упаковок не залежать і тому перехід на упаковки з меншими розмірами з цього боку обмежень не накладають.

Виконано аналогічні підрахунки в довільному виборі співвідношень діаметрів di = id, де і – число кратності розмірів більше за нуль. На рис. 2 наведено залежність товщини оболонки д від параметра і, а витрати матеріалу на виготовлення оболонок знаходяться за виразом

.

Результати розрахунків за даними с = 7000 кг/м3; d = 0,1 м; р = 105 Па; [у] = 50?106 Па наведено в табл. 4. З розрахунків видно, що за умови і = 1 втрати матеріалу також мінімізуються на додаток до мінімальної поверхні.

Таблиця 4

Результати розрахунків витрат матеріалу в залежності від параметра і

і 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Мі, кг 0,022 0,0217 0,021 0,02 0,0172 0,017 0,021 0,026 0,034 0,043 0,045

В четвертому розділі виконано дослідження по енергозаощадженню в технологіях обробки і фасування продукції. Екстенсивний шлях енерго-збереження грунтується на використанні нових технологій і на обмеженні процесів нагрівання та охолодження матеріальних потоків. До цього напряму енергозбереження належать технології приготування та фасування газованих напоїв за підвищеного тиску. Другий напрям характеризується удосконаленням діючих технологій, рекуперацією енергетичних потоків та використанням теплообміну з навколишнім середовищем. На прикладі виробничих схем та існуючого обладнання вітчизняного виробництва показана можливість використання екстенсивних технологій у виробництві газованих напоїв. Розрахунки показують, що завдяки переходу до фасування газованих напоїв з підвищеним тиском виникає можливість використання контурів льодяної води.

В зимовий сезон виникає можливість повної відмови від використання компресійних холодильних установок за рахунок охолодження води льодяного контура на градирні. Досвід, накопичений на КОП "Росинка" при використанні рекомендацій цього дослідження, підтвердили теоретичні розрахунки. В літній період перехід на нову технологію дозволив скоротити енергетичні витрати на охолодження напоїв приблизно в 1, 8 разів. Одночасно зі зниженням теплового навантаження відбувається зменшення в 1,8 разів матеріальних потоків льодяної води, розсолу та конденсаторної води.

Показано можливості і зроблена кількісна оцінка параметрів системи з акумуляторами холодної води, які дозволяють основне навантаження на холодильні установки перенести на нічний час. Останнє суттєво скорочує економічні витрати за рахунок зменшених нічних тарифів на електроенергію.

В роботі на основі аналізу теорії та практики пастеризації в тунельних пастеризаторах розроблено теоретичне обгрунтування вибору параметрів системи, розрахованих на максимальний режим рекуперації теплової енергії. Теоретичні розробки дозволяють знайти співвідношення між термодинаміч-ними, геометричними та кінематичними параметрами, розроблено рекомендації щодо обмеження негативних впливів перехідних процесів і технологічних зупинок пастеризаторів. На основі цієї частини досліджень розроблено пропозиції до регламенту і правил роботи на пастеризаторах тунельного типу. Розробки щодо рекуперативної системи враховані при реконструкції пастеризатора на АТ "Пивзавод на Подолі".

У п'ятому розділі роботи викладено результати експериментальних досліджень, які грунтувались на основі розробленого експрес-методу оцінки рівня летального ефекту по тест-культурі під впливом різних фізичних та хімічних факторів. В основу експрес-методу покладено відому в мікробіології оцінку кількості відмерлих клітин і бруньок. У відповідності з нею одну краплю середовища з тест-культурою змішували на предметному склі з однією краплею розбавленої синьки (по Фінку) і через 1-2 хвилини препарат проглядався під мікроскопом МБІ-3 при збільшенні в 600-800 разів. Відмерлі клитини фарбуються в синій колір тому, що їх клітинна оболонка і мембрана не протидіють проникненню фарби. В живі клітини фарба не проникає. Співвідношення між кількістю живих і мертвих клітин встановлювалось з використанням лічильної камери Горяєва і відомих методик підрахунків. За тест-культуру в дослідженнях було обрано хлібопекарські та пивні дріжджі родини Saccharomyces cerevisiae.

До числа завдань лабораторних досліджень відносилась оцінка різних факторів впливу на тест-культуру в досягненні летального ефекту, а також рівня асептичної підготовки продукції, тари тощо.

Лабораторна база складалася з названого мікроскопу і відповідного забезпечення для роботи з ним, засобів хімічних впливів (спирту, перекису водню, бензоату натрія, антибіотиків), НВЧ-нагрівача Funai МО888ТТ з частотою електромагнітного поля 2450 МГц, пристрою "Альфа" для вакуумного упаковування продукції, засобів контролю за тиском і температурою середовищ з тест-культурою, термостата УТ-15. При проведенні досліджень у виробничих умовах використовувалися нормативні методи досліджень по визначенню рівня інфікування сировини, тари, обладнання тощо.

Для оцінки рівня летального впливу НВЧ-обробки на мікробні клітини і відокремлення температурних впливів використовувалося кількаступеневе опромінювання з обмеженням часу по летальним температурам. За рахунок охолодження середовища тест-культури досягалася можливість збільшення загального часу обробки.

Обробка результатів показала, що в рамках життя одного покоління дріжджових клітин НВЧ-обробка помітної дії не має, і тільки за рахунок нагрівання середовища до 60° С і більше летальний ефект стає відчутним. Оцінка хімічних впливів підтвердила відомі впливи хімічних консервантів і одночасно дозволила перевірити експрес-метод досліджень.

Група дослідів була виконана для оцінки впливів консервантів, які використовуються при виробництві напоїв "Coca-Cola", "Pepsi-Cola", "Фанта" та ін. В дослідах до середовища з тест-культурою додавалося 2 % об'ємних вказаних напоїв. Подальше мікроскопування, яке виконувалося через 5-7 хвилин, показувало у всіх без винятку дослідах стовідсотковий летальний ефект.

Результати впливу на мікроорганізми родини Saccharomyces cerevisiae, очевидно, не можуть бути просто перенесені на інші види мікрофлори, однак відомі застороги багатьох спеціалістів щодо необхідності обмеження хімічних консервантів є зовсім небезпідставними, оскільки дія таких напоїв на людину аналогічна дії антибіотиків.

Дослідження по оцінці летального ефекту вакуумної обробки виконувалися з використанням вказаного комплексу обладнання. Обробка здійснювалася в камері пристрою вакуумного упаковування в одно- або кількаступеневому режимі. Температура середовища з тест-культурою на початку досліду задавалася 40° С. Зниження тиску у вакуумній камері приводило до кипіння середовища. В результаті вакуумування температура знижувалася до 2-5° С. Зміна енергетичного потенціалу середовища (і мікроорганізмів) за таких умов відбувається зі швидкістю, яка значно перевищує аналогічні показники інших методів обробки. Всі групи дослідів показали відчутний летальний ефект, а триразова обробка дозволяла вийти на стовідсотковий показник.

В умовах виробництва виконано дослідження по оцінці мікробіологічного забруднення пляшок в процесі їх підготовки до фасування. Було визначено, що основне забруднення досягається після операції ополіскування пляшок. Для поліпшення ситуації визначено параметри системи ультрафіолетової обробки води та повітря в пляшкомийній машині. В результаті впровадження рекомендацій на Хмельницькому пивзаводі вдалося термін зберігання пива підвищити від 10-15 діб до 90 діб.

Висновки.

1. У загальному переліку методів і технологій обробки напоїв та харчових продуктів помітно виділяються теплова обробка і застосування хімічних консервантів. Ультрафіолетове опромінення придатне для надійної обробки питної води або інших прозорих середовищ, а обробка повітря в багатьох випадках обмежується через утворення озону. Інші фізичні методи обробки (електричні, магнітні, електромагнітні поля, ультразвук, електрогідравлічний удар, струми промислових, високих та надвисоких частот) не гарантують стовідсотковий летальний ефект, а тому в кінцевих стадіях обробки промислового використання не мають.

2. За фасування або теплової обробки фасованої продукції має місце підвищення тиску всередині упаковок. Його компенсація досягається відповідним вибором форми та розмірів оболонок і засобів їх герметизації або створенням відповідного протитиску в автоклаві-стерилізаторі. У зв'язку з необхідністю обмеження внутрішнього тиску суттєве значення має точність дозування продукції та напоїв, яка повинна забезпечити однакові співвідношення газової та рідинної фаз в упаковках.

3. Фасування газованих напоїв за температури 2-4° С і відносно низьких тисків (0,2-0,3 МПа) потребують енергетичних витрат на охолодження продукції. Перехід на фасування за температури напоїв 10-12° С та підвищеного тиску супроводжується помітним зменшенням питомих енергетичних та економічних витрат.

4. Показана принципова помилковість використання повітря для ство-рення газової подушки в резервуарах зберігання та витратних резервуарах газованих напоїв і пива.

5. Одержано розрахункові залежності по визначенню динаміки зміни тиску за рахунок зовнішніх впливів та залежності по визначенню тиску і температури фасування з забезпеченням нормативного вмісту СО2.

6. Перехід на фасування напоїв за підвищеної температури є вибором екстенсивного напряму енергозаощадження і він забезпечений відповідним технологічним обладнанням. В рамках цього напряму перехід на використання контурів льодяної води в сезонах зі зниженою температурою повітря дозволяє здійснювати повне охолодження проміжного теплоносія на градирнях без використання компресорних станцій. В літній період виникає можливість відмовитись від використання розсолу для охолодження напоїв у технологічному обладнанні та перейти на льодяну воду.

7. Обгрунтована доцільність і створена рекуперативна гідравлічна схема пастеризатора тунельного типу. Розроблена методика вибору числа зон і температурних режимів роботи пастеризатора. Показано, що рекуперативна система зі збільшенням числа зон теплової обробки наближається до можливостей пастеризації рідин в потоці. Рівень рекуперації теплової енергії на пастеризаторах тунельного типу залежить від числа зон нагрівання і охолодження упаковок і зростає зі збільшенням цього показника.

8. На основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень науково обгрунтовано удосконалення підготовки, фасування та теплової обробки рідких харчових продуктів із забезпеченням їх довготривалого зберігання. Доопрацьована математична модель, що встановлює взаємозв'язки між термодинамічними параметрами процесів фасування продукції та геометричними параметрами упаковок.

9. Вперше створена математична модель стану динамічної рівноваги газонасичених рідин в герметизованих об'ємах за зміни термодинамічних параметрів і формалізовано взаємозв'язки між параметрами фасування газованих напоїв та енерговитратами на їх охолодження.

10. Досліджено дію надвисокочастотного електромагнітного поля з частотою 2450 МГц з точки зору досягнення летального ефекту з відокремленням теплового впливу середовищ. Встановлено, що в межах однієї генерації дріжджових культур летальний ефект викликається тепловими впливами, а не дією НВЧ-поля.

11. Створена концепція, що розвиває використання вакуумної обробки склотари для досягнення асептичного стану останньої. Встановлено, що асептичний стан скляних пляшок досягається їхнім вакуумуванням за тисків 0,005-0,01 МПа.

12. На прикладі КОП "Росинка" показана можливість підвищення холодо-продуктивності холодильних компресорних установок на 50 % за рахунок зміни термодинамічних параметрів фасування газованих напоїв.

13. Показана можливість зниження питомих енерговитрат на тунельних пастеризаторах ("Пивзавод на Подолі").

14. Опрацьована нова конструкція вакуумного деаераційно-охолоджу-вального пристрою (патент України № 41220 А МПК В01 Д 19/00, бюл. № 7, 15.08.2001 р.)

15. Впроваджена на Хмельницькому пивзаводі система ультрафіолетової обробки води в пляшкомийній машині привела до збільшення стійкості пива від 7 до 15 діб і більше та підвищила термін гарантованої реалізації продукції. Економічний ефект впровадження (за рахунок збільшення виробництва на 109 тис. дал) становив за 2000 рік 210 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Варфоломєєв А.Й., Сторіжко Й.І. Удосконалення технологій газованих напоїв: Монографія.– Кам'янець-Подільський: Абетка нова, 2001. – 208 с. – написання розділів 1-4.

2. Соколенко А.І., Васильківський К.В., Степанець А.І., Варфоломєєв А.Й. Дослідження динаміки тиску, напруженого і деформованого стану склотари при пастеризації та стерилізації. – К.: Укр. держ. ун-т харч. технологій, 1998. – 23 с. – розробка теоретичних положень.

3. Степанець О.І., Варфоломєєв А.Й. Дослідження динаміки тиску і напружень у пляшках при пастеризації // Наукові праці Укр. держ. ун-ту харч. технологій. – К.: УДУХТ, 1998. – С. 99-100 – складання моделей по визначенню напружень.

4. Соколенко А.И., Васильковский К.В., Варфоломеев А.И. Необходимость и условия асептической подготовки стеклотары в производстве пива // Упаковка. – 1998. - № 2. С. 18-19 – узагальнення результатів аналітичного огляду.

5. Варфоломєєв А.Й., Сторіжко Й.І. Вибір геометрії упаковок // Упаковка. – 2001. № 2. С. 54-55 – формулювання основних принципів вибору параметрів.

6. Соколенко А.І., Костін В.Б., Варфоломєєв А.Й. і ін. Перспективи розвитку технологій теплової обробки і пакування харчових продуктів. – Київ, 1997. – 10 с. – Укр. – Деп. в УкрІНТЕІ 04.03.97, № 220 – Уі 97 – оцінка літературних джерел.

7. Пат. № 41220 А Україна, МПК В01 Д 19/00. Вакуумний деаераційно-охолоджувальний пристрій. / Соколенко А.І., Шевченко О.Ю., Васильківський К.В., Варфоломєєв А.Й. та ін. – №2001042443; Заявл. 11.04.2001; Опубл.15.08.2001. – Бюл. № 7 – запропонував встановити додаткову вакуумну камеру.

8. Нове в технологіях фасування газованих напоїв / Варфоломєєв А.Й., Сторіжко Й.І. – Тез. доп. 7-ої міжнародної конференції "Пріоритетні напрями впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання та нових видів продуктів оздоровчого спеціального призначення", Київ, УДУХТ, 2001. – с. 185 – сформулював напрями розвитку технології.

9. Особливості фасування газованих напоїв/ Варфоломєєв А.Й. Тез. доп. 67-ї наукової конференції студентів, аспірантів і молодих вчених. Частина ІІ, Київ,УДУХТ, 2001. – с.103 – оцінка стану технологій фасування.

10. Фасування газонасичених напоїв і енергоощадні технології/ Варфоломєєв А.Й., Школяренко Н.В. – Тез. доп. 67-ї наукової конференції студентів, аспірантів і молодих вчених. Частина ІІ, Київ, УДУХТ, 2001. – с.103 – оцінка перспектив енергозбереження.

АНОТАЦІЯ

Варфоломєєв А.Й. Удосконалення технологічних процесів та обладнання для стабілізації якості рідких харчових продуктів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 – процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. – Український державний університет харчових технологій, Київ, 2001.

В дисертації представлено результати аналізу сучасних технологій фасування продукції та напоїв у поєднанні з енергоощадливими технологіями і вибором типорозмірів упаковок,