НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

ШЕВЧЕНКО ОЛЕКСАНДР ЮХИМОВИЧ

УДК 621.798

НАУКОВІ ОСНОВИ І АПАРАТУРНЕ ОФОРМЛЕННЯ ПРОЦЕСІВ ДОВГОСТРОКОВОГО ЗБЕРІГАННЯ ХАРЧОВИХ ПРОДУКТІВ

Спеціальність 05.18.12 – процеси та обладнання харчових,

мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ-2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант доктор технічних наук, професор,

УКРАЇНЕЦЬ Анатолій Іванович,

Національний університет харчових

технологій, ректор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

ПУШАНКО Микола Миколайович,

Національний університет харчових

технологій, професор кафедри технологічного обладнання харчових виробництв

доктор технічних наук, професор

СУКМАНОВ Валерій Олександрович,

Донецький державний університет економіки і торгівлі імені М.І. Туган-Барановського,

декан факультету "Обладнання переробних

і харчових виробництв", завідувач кафедри "Загальноінженерні дисципліни"

доктор технічних наук, професор

ТИЩЕНКО Генадій Петрович,

Український державний хіміко-технологічний університет, завідувач кафедри "Обладнання і технології харчових виробництв"

Провідна установа Інститут харчової хімії і технології Національної

Академії Наук України та Міністерства аграрної

політики України

Захист відбудеться " 27 " червня 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 Національного університету харчових технологій за адресою:

01033, м. Київ-33, вул. Володимирська, 68, аудиторія А-311.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного універси-тету харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ-33, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий “_24_”_____05_____ 2006 р.

Вчений секретар спеціалі-

зованої вченої ради, к.т.н., доц. Зав’ялов В.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення нових технологій та обладнання в галузі використання фізичних методів стабілізації якісних, енергетичних і смакових показників продукції – це шлях до екологізації продуктів харчування і напоїв і можливість суттєвого обмеження і відмови від використання хімічних консервантів. Методи теплової обробки потребують перегляду в напрямку рекуперації теплової енергії, що стосується у тому числі і фасованої продукції.

Актуальність проблеми зростає в умовах постчорнобильських подій, загаль-ного стану екології на території України в цілому і особливо у окремих її регіонах. Розробки у цьому напрямку стосуються також і проблем дитячого харчування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з Програмою Кабінету Міністрів ”Україна 2010” (проект 4 “Технологічне та технічне оновлення виробництва”); договором 03.13.00/007-94 “Розробка і реалізація технологій промислового виробництва продуктів харчування з подовженим терміном зберігання”; державним контрактом № /81-95 “Розробити і впровадити технологію промислового виробництва продуктів харчування з подовженим терміном зберігання”; господарчим договором № 256/93 “Розробка технології й визначення параметрів пастеризації пива в умовах пивзаводу № ”; господарчим договором № 108 “Розробка технології і визначення параметрів пастеризації пива” (АТ “Хмельницький обласний пивзавод”, 1994 р.); господарчим договором № 114Ц “Розробка технології і визначення параметрів пастеризації пива” (Перевальський пивзавод, 1994 р.); господарчим договором № 119Ц “Розробка технології і визначення параметрів пастеризації пива” (Славутський пивзавод, 1994 р.); господарчим договором № 128Ц “Розробити пристрій для відокремлення хмелю від пивного сусла по умовам “Пивзаводу на Подолі” (АТ “Пивзавод на Подолі”, 1995 р.); господарчим договором № 153Ц “Розробка пристрою для заповнення шампанським посуду 0,2; 0,33; 0,75; 1,5 л” (КОП “Київський завод шампанських вин”, 1996 р.); господарчим договором № 168Ц “Комплектація запорною арматурою та пристроями контролю та керування системи асептичної підготовки склотари” (АТ “Пивзавод на Подолі”, 1998 р.); господарчим договором № 203Ц “Створення переробного комплексу АТЗТ “Торговий дім Україна-Тюмень” (АТЗТ “Торговий дім Україна-Тюмень”, 2000 р.); господарчим договором № 209Ц “Розробка проектів переробного комплексу АТЗТ “Торговий дім Україна-Тюмень” (Укрпроектреконструкція, 2000 р.); господарчим договором № 217Ц “Проектно-розрахункові роботи по впровадженню нових технологій по енергозабезпеченню” (Київський завод “Росинка”, 2001 р.); господарчим договором № 44/04/58 “Розробка технології для підвищення виходу виноградного сусла” (ЗАТ КЗШВ “Столичний, 2004 р.).

Автор особисто приймав участь у проведенні лабораторних і промислових досліджень, обробці та аналізі отриманих результатів.

Мета і завдання дослідження. Метою і завданням дослідження є створення нових технологій обробки харчових продуктів для стабілізації їх смакових, якісних і енергетичних показників в умовах довготермінового зберігання та підґрунтя для розробки відповідного апаратурного забезпечення.

Об’єктом дослідження є процеси масо- та теплообміну з досягненням летальних ефектів по мікрофлорі, пов’язаних з різкими змінами тиску в газонасичених середовищах, вакуумуванням фасованої і нефасованої продукції, адіабатним кипінням рідинної фази продукції, осмомолекулярною дифузією на фоні вакуумованих середовищ, комбінаціями різних методів обробки.

Предметом дослідження є взаємозв’язки між фізико-хімічними параметрами впливів і переведенням харчових середовищ і продукції в асептичний стан.

Методи дослідження включають аналітичне моделювання, феноменологічні підходи, обчислювальні і лабораторні багатофакторні експерименти та експериментальну і довготривалу промислову перевірку окремих положень. В їх основі лежать термодинамічні процеси, закономірності фазових переходів, кінетика хімічних і біохімічних реакцій на основі загального принципу спрямованості ентропії замкнених систем до екстремальних значень, принципу Ле-Шател’є тощо.

Наукова новизна одержаних результатів. Набули подальшого розвитку уявлення, що стосується сукупності явищ, які супроводжують вакуумування рідинних харчових продуктів або вологовмістких продуктів. Показано існування 4-ох безпосередніх впливів і 10 наслідків з них.

Вперше створено і обгрунтовано гіпотезу про те, що вакуумування середо-вищ уповільнює і за певних умов припиняє масообмін по газовій фазі в системі “мікробіологічна клітина – середовище” з досягненням бактеріостатичних ефектів.

Одержано математичні залежності, що стосуються змін поверхні поділу фаз в двофазних середовищах в умовах їх вакуумування як функції термодинамічних і фізико-хімічних параметрів.

Вперше одержано математичну модель зміни розмірів і поверхонь бульбашок в рідинно-газових системах в умовах дискретно-імпульсних технологій в функції параметрів системи і часу. Показано вплив на екстремальні розміри бульбашок різних початкових діаметрів і на перебіг перехідних процесів в часі.

Удосконалено методи розрахунку вакуумних систем в режимах адіабатного кипіння середовищ. Вперше одержано математичну модель, що дозволяє оцінити зміну термодинамічних параметрів з розгорткою у часі.

Показано, що в умовах пастеризаційної теплової обробки склотарної фасованої продукції з близькими до води теплофізичними характеристиками інтенсифікація теплообміну може досягатись лише за рахунок збільшення температури теплоносія, оскільки існує граничне значення щільності зрошування, після якого збільшення цього показника не впливає на динаміку теплопередавання.

Вперше одержано залежності, що визначають динаміку зміни тиску в упаковковках з газованою продукцією при тепловій обробці, запропоновано до використання аналог константи Генрі, який враховує одночасно вплив парціального тиску і температури.

Розширено уявлення і розроблено математичну модель, що стосується дина-міки десорбції розчиненого діоксиду вуглецю в технологіях різкого зменшення тиску стосовно газонасичених систем та динаміки ступінчатої десорбції СО2.

Вперше на основі багатофакторного експерименту одержано математичні моделі щодо летальних впливів на дріжджові клітини в технологіях різкої зміни тисків (ТРЗТ) з урахуванням осмотичних тисків розчинів.

Встановлено закономірності зміни осмотичних тисків в умовах протікання хімічних і біохімічних реакцій в середовищах. Показано, що кінцеві осмотичні тиски розчинів пропорціональні зрівнювальним коефіцієнтам у відповідних реакціях.

Показано неможливість досягнення бактеріостатичних ефектів в системі “середовище – клітина” за рахунок підвищення загального тиску, оскільки зміни останнього однакові для обох компонентів системи.

Практичне значення одержаних результатів. Підтверджено прогнози на перспективність використання вакуумних технологій та технологій різкої зміни тисків з метою стабілізації смакових, енергетичних та якісних показників продукції. Доведено, що комбінаціями параметрів вакуумування, адіабатного кипіння та осмотичного тиску досягається підвищення рівнів летальних ефектів.

Одержано практичні рекомендації щодо режимів і параметрів пастеризації пива і газованих напоїв та організації процесів рекуперації теплової енергії при обробці фасованої продукції. У відповідності з цими рекомендаціями виконано реконструкцію пастеризатора пляшкового пива на АТ "Пивзавод на Подолі" (м. Київ) та розроблено конструкторську документацію на пастеризатор пива ЦАИГ.ПСТ – 6.00.00.000, розроблено і впроваджено систему асептичної підготовки склотари ЦАИГ.ПСТ.ПС (АТ "Пивзавод на Подолі"), розроблено і впроваджено пристрій для безперервної вино-кам’яної стабілізації високоякісних вин (деклараційний патент України № 10462).

Розроблено рекомендації щодо можливостей уникати або навпаки підсилювати рівень адіабатного кипіння середовищ в умовах вакуумного пакування продукції і вибору відповідних параметрів.

Показано, що вакуумні технології і ТРЗТ мають важливі перспективи використання для підвищення рівня виходу рідинної фази у виробництві соків з ягід, фруктів та овочів. Розроблено спосіб підвищення виходу соків при переробці плодів та ягід (деклараційний патент України № 10461), розроблено і впроваджено на дочірньому підприємстві ОП “Київський завод шампанських вин “Столичний” пристрій для одержання виноградного сусла з винограду на основі ТРЗТ, впроваджено пристрій для змішування потоків вина і лікерів при приготуванні тиражних сумішей (деклараційний патент України № А). Виконано розробку вакуумного деаераційно-охолоджувального пристрою (деклараційний патент України №41220А), пристрою для насичення рідини вуглекислим газом (деклараційний патент України №47840А), пристрою для газонасичення рідинних середовищ (деклараційний патент України №54296А), пристрою для фільтрування і очищення водно-спиртових сумішей (деклараційний патент України №39014А).

Дослідження по вивченню сукупних впливів вакуумування і осмомолекулярної дифузії покладено в основу технології одержання ягідних і фруктових сиропів з довготерміновим зберіганням.

На основі врахування динаміки зміни осмотичних тисків в процесі бродіння розроблено спосіб виробництва нефільтрованого пива довготермінового зберігання (деклараційний патент України № А). Розроблено рекомендації щодо обмеження рівнів осмотичних стресів в умовах проведення біохімічних процесів.

У відповідності з запитами промисловості здійснено нові розробки апаратурного оформлення процесів у такому переліку: сусловарильний апарат (деклараційний патент України № А), пристрій для охолодження пивного сусла (деклараційний патент України № А), апарат для замочування зерна (деклараційний патент України № А), пристрій для пророщування зерна ящикового типу, барабанний або у вигляді “пересувної грядки” (деклараційний патент України № А), пристрій для пророщування зерна ящикового типу, барабанний або у вигляді пересувної грядки (деклараційний патент України № А), пристрій для пророщування солоду (деклараційний патент України № А) та ін.

Розроблено і поставлено на серійне виробництво ростковідбійну машину Ш4 – ВРМ – 4.00.00.000, здійснено розробку рекомендацій, на основі яких виконано реконструкцію сушарки солоду (АТ “Пивзавод на Подолі”), розроблено пристрій для відокремлення хмелю від пивного сусла.

Особистий внесок здобувача полягає у критичному аналізі матеріалів, що стосуються технологій довготривалого зберігання продукції, дискретно-імпульсних, вакуумних технологій, ТРЗТ, перехідних процесів у цих технологіях з врахуванням осмотичних тисків середовищ, летальних ефектів по мікрофлорі тощо, формулюванні задач досліджень, напрямків і методів їх розв’язання, розробці теоретичних моделей та їх експериментальної перевірки, створенні лабораторних установок, аналізі одержаних результатів, формулюванні висновків та розробці технологій і відповідного обладнання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися на 6-й Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості” (2000 р., м. Київ); на VII Міжнародній науково-технічній конференції “Пріоритетні напрями впровадження в харчову промисловість сучасних технологій, обладнання і нових видів продуктів оздоровчого та спеціального призначення” (23-25 жовтня 2001 р., м. Київ); на семінарі VI міжнародної спеціалізованої виставки продуктів харчування та напоїв “FOOD&DRINKS – 2001” (15 листопада 2001 р., м. Київ); на семінарі “Нові технології і обладнання пакування” 10-ї міжнародної спеціалізованої виставки “ПАКУКРАЇНА – 2002” (11 квітня 2002 р. м. Київ); на Міжнародній науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Сучасні методи створення нових технологій та обладнання в харчовій промисловості” (23-25 квітня 2002 р., м. Київ); на семінарі головних механіків пивзаводів України (Київ, НУХТ, грудень 2002 р.); на 69-й науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Розроблення, дослідження і створення продуктів функціонального харчування, обладнання та нових технологій для харчової і переробної промисловості” (22-24 квітня 2003 р., м. Київ); на Міжнародній науково-технічній конференції “Розроблення та виробництво продуктів функціонального харчування, інноваційні технології та конструювання обладнання для перероблення сільгоспсировини, культура харчування населення України” (21-23 жовтня 2003 р., м. Київ); на науково-практичній конференції “Новітні технології пакування”, в рамках міжнародної виставки “ПАКЕкспо – 2005”( 3 березня 2005 р.); на 71-й науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Наукові здобутки молоді вирішенню проблем харчування людства у XXI столітті” (18-19 квітня 2005 р., м. Київ); на IX-й міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сьогодення і перспективи” (17-19 жовтня 2005 р., м. Київ); на науково-практичній конференції “Новітні технології пакування”, в рамках міжнародної виставки “ПАКЕкспо – 2006”( 1 березня 2006 р.).

Робота виконувалася на кафедрі “Технічна механіка і пакувальна техніка” Національного університету харчових технологій. Автор висловлює глибоку подяку науковому консультанту д.т.н., професору Українцю А.І. за допомогу у виконанні досліджень.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 57 друкованих праць, у тому числі 3 монографії та 1 довідник, 22 статті у фахових журналах, 14 патентів України, 10 тез на науково-технічних конференціях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел, який містить 225 найменувань.

Робота виконана на 301 сторінці машинописного тексту, містить 92 рисунки, 31 таблицю та додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність вибраної теми, визначено мету та сформульовано основні завдання досліджень, показано наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.

У розділі 1 виконано огляд технологій стабілізації харчової продукції та напоїв.

За результатами огляду і аналізу літературних джерел зроблено наступні висновки.

1. Домінуючою з числа різних фізичних, хімічних та комплексних методів обробки продукції залишається теплова на рівні пастеризації та стерилізації. Пояснюється це тим, що ці режими обробки дають найбільше наближення до 100 % рівня повного знешкодження мікрофлори продукції. Теплова обробка за одну з переваг має відповідність щодо екологічних вимог. Для випадків теплової обробки фасованої продукції існує необхідність підвищення рівня наукового підґрунтя, що стосується рекуперації теплової енергії і зниження енергетичних витрат.

2. Хімічні засоби досягнення асептичних станів продукції в основному зводяться до використання консервантів як природного походження, так і синтетичних. Головним недоліком останніх є невідповідність екологічним вимогам. Особливо це стосується продуктів і напоїв дитячого харчування.

3. Методи обробки продукції в електричних і електромагнітних полях продовжують залишатися в стадії активних досліджень. Однак на рівні досягнення асептичного стану готової продукції окрім обробки в високочастотних та надвисокочастотних полях в літературних джерелах повідомлення відсутні.

4. З літературних джерел витікає, що одні й ті ж методи обробки в електричних, електромагнітних і магнітних полях досліджувались як з метою оцінки впливів на рівень активації життєдіяльності мікроорганізмів, так і з метою досягнення інактивації і летальних впливів. Останнє є ознакою того, що наукове підґрунтя щодо розуміння закономірностей побудови, законів розвитку, життєдіяльності, масообмінних процесів мікроорганізмів, термодинаміки біологічних середовищ тощо далеке від завершення.

5. Ультрафіолетове опромінення на промисловому рівні застосовується для асептичної обробки приміщень, складів, питної води, прозорих розчинів. Суттєвим недоліком в обробці ультрафіолетовими променями повітря є утворення озону, що в багатьох випадках робить неможливим використання цього методу обробки.

6. Ультразвукова обробка знайшла відносний розвиток в технологіях, пов’язаних з диспергуванням середовищ, утворенням емульсій, в операціях мийки, для інтенсифікації процесів масообміну, деструкції рослинних клітин.

7. Дискретно-імпульсні технології зародилися як одна з гілок по інтенсифікації процесів тепло- та масообміну, що відбуваються в газорідинних середовищах. Підґрунтям інтенсифікації в них є різка зміна тисків, яка супроводжується зміною поверхні поділу фаз. Для середовищ з відносно високою температурою зміна тисків на певному рівні може приводити середовище в метастабільний стан, викликати утворення нової поверхні поділу фаз за рахунок адіабатного кипіння з наступним колапсом парових бульбашок. Колапс бульбашок або кавітація супроводжується відомим набором фізичних явищ, одною з ознак яких є загибель мікрофлори. Зважаючи на те, що температурний діапазон більшості мікроорганізмів, які супроводжують продукцію харчових виробництв, обмежується величиною 28-36 °С, то для досягнення адіабатного кипіння рідинної фази необхідно суттєво знижувати тиски в біологічних середовищах. Звідси починається перехідний місток від дискретно-імпульсних до вакуумних технологій обробки.

8. Вакуумування продукції, що містить в собі певний рівень вологи, супроводжується адіабатним кипінням, утворенням парової фази, виділенням розчинених в рідинній фазі газів, швидким зниженням температури середовища. З точки зору такого показника, як потужність енергетичного впливу на середовище вакуумування відноситься до найбільш значних. Співрозмірним з ним але в іншому напрямку температурного градієнта є лише надвисокочастотна обробка.

9. Осмотичний тиск середовища, що супроводжує відповідні технології, є одним з важливих чинників рівня життєдіяльності мікроорганізмів, на що вказують відомі технології консервування продукції цукром або сіллю. Однак практично відсутні дані про дослідження різних факторів впливу на мікроорганізми, в яких би враховувались показники осмотичного тиску середовищ.

10. За розгерметизації насичених на СО2 середовищ мають місце процеси подібні адіабатному кипінню, але на іншій фізичній основі. Газонасичене середовище має певний рівень потенціальної енергії і потужність переходу в інший рівень на порядок (або на кілька порядків) може перевищувати звичайні впливи на середовища. Назвемо такі впливи технологією різкої зміни тиску. Фізичні наслідки їх використання очікуються на рівні вакуумних технологій і можуть бути використані як в загальних технологіях, наприклад, для збільшення виходу рідинної фракції з рослинної сировини, гомогенізації середовищ тощо, так і в процесах упаковування продукції, а також для досягнення загибелі мікрофлори в соках, напоях тощо.

Вибрано основні напрямки та сформульовано завдання досліджень.

У розділі 2 наведено методики теоретичних і експериментальних досліджень по вивченню впливів на структуру продуктів, стани рівноваги, життєдіяльність мікроорганізмів, їх стан, рівень летальних ефектів таких показників, як осмотичний тиск, фазові переходи, термодинамічні параметри, в тому числі і в умовах їх швидких змін.

Коло питань, яких стосувалися теоретичні і експериментальні дослідження визначено, як

–

–

дукції;

–

–

Пошуки співвідношень між тисками вакуумування і наслідками їх впливів на середовища, харчову продукцію і напої, визначення відповідних термодинамічних параметрів з оцінкою можливостей і сфер застосування в тому числі і на рівні дискретно-імпульсних технологій визначили формат теоретичних досліджень, в основі яких лежать сучасні уявлення термодинаміки, окремі аспекти газодинаміки, гідродинаміки двофазних середовищ.

Теоретична частина дослідження гідродинаміки двофазних систем виконувалась на основі постановки обчислювального експеримента, пов’язаного з необхідністю розв’язання трансцендентного рівняння, яким визначається співвідношення геометричних параметрів газо-парових бульбашок за вакуумування. Одержане рівняння регресії встановлює вплив фізичних параметрів за зміни тиску, однак не дає розгортки перебігу процесу у часі.

Моделювання процесів гідродинаміки газорідинних середовищ в умовах дискретно-імпульсних технологій здійснювалося за вибору відправних співвідношень ізотермічних та адіабатних процесів. Одержані нелінійні диференціальні рівняння розширення бульбашок за вакуумування розв’язувалися на ПК з використанням стандартних програм.

Експериментальні дослідження проводилися на вакуумній пакувальній установці Easy PACK німецької фірми Webomatic.

Руйнування рослинних структур у процесі вакуумування вивчалося в спеціальній групі дослідів. Оскільки на установці Easy PACK досягався залишковий тиск на рівні 0,002 МПа, то оброблювана продукція з температурою 18…20 0С в процесі зниження тиску проходила через точку адіабатного кипіння.

За вакуумування плодів слив, аличі, ягід винограду, фрагментів цибулі досягалося руйнування зовнішніх оболонок клітин з наступним виходом соків. На зрізах таких об’єктів під мікроскопом чітко фіксувалося руйнування клітинних оболонок.

В результаті виконання експериментальних досліджень, пов’язаних з оцінкою вакуумних впливів встановлено наявність летальних ефектів. За тест-культуру було обрано хлібопекарські дріжджі, водна розводка яких підлягала вакуумуванню з переходом через адіабатне кипіння. Рівень летальних ефектів при цьому досягав 100%.

Схема та комплект обладнання, яке використовувалося в цих дослідженнях представлено на рис. 1.

Експериментальні дослідження, виконувані з рослинною сировиною з пакуванням у м’які оболонки, привели до висновку про можливість створення технології для одержання нових видів продукції. Оскільки вакуумна обробка під час створення упаковок спричиняє вихід соків рослинної сировини, а м’яка герметична упаковка забезпечує її стискання атмосферним тиском, то це може бути початком нової технології.

З переліку технологій, які використовуються для забезпечення заданих термінів зберігання продукції і напоїв, чільне місце займає теплова обробка у вигляді пастеризації або стерилізації продукції.

Враховуючи особливості теплообміну в герметизованих об’ємах, специфічну (з точки зору термодинаміки) форму упаковок (пляшок) і необхідність обмеження похибок, властивих теоретичним методам розрахунків, було прийнято рішення про організацію експериментальних досліджень.

Ставилася задача одержати залежності по теплообміну за стабілізації таких параметрів, як гідродинаміка теплоносія, геометрія і об’єм упаковки, орієнтація виробів у просторі, теплофізичні характеристики продукції. Подібний підхід за його зовнішньої простоти одночасно дозволяє вирішити локальні задачі з високою точністю. Лабораторний стенд складався з термостату ТЖА 40, термозонду на шість термопар, потенціометра, підсилювача сигналів.

Гідродинамічний режим теплоносія у своїй реалізації досліджувався у двох режимах: душіювання, за яких масиви оброблюваних виробів підлягають активному зрошуванню через систему форсунок і утворенню плівкового стікання по них теплоносія і режими “занурювання”, коли вироби знаходяться в об’ємі теплоносія.

Окрім того для досліджуваних об’єктів характерним є утворення температурних полів по висоті виробів. Саме для визначення нерівномірностей температур термозонд мав у своєму складі 6 термопар. Нерівномірність температурних полів пов’язана з геометрією упаковки, у тому числі співвідношенням її висоти і діаметра. Для оцінки впливу вказаних співвідношень досліди виконувалися зі зміною орієнтації виробів у просторі горловою частиною догори та донизу (вертикальна орієнтація) та за горизонтальної орієнтації в режимах ступінчастої зміни температури теплоносія в цілому, однак в кожному досліді температура була стабілізованою.

Технології різкої зміни тисків (ТРЗТ) стосувалися випадків в яких енергетичний потенціал оброблюваних середовищ накопичується в результаті розчинення діоксиду вуглецю.

З точки зору інтересів ТРЗТ час перебігу перехідних процесів має принципове значення, оскільки ефекти технологій різкої зміни тисків зорієнтовані саме на високі значення швидкості зміни енергетичного потенціалу, тобто на потужності.

У зв’язку з останнім в дисертаційній роботі передбачається створення методик по розрахунку цих перехідних процесів з перебігом їх у часі.

На підтвердження можливостей використання ТРЗТ експериментальні дослідження заплановано і проведено на макро- і мікрорівнях.

В дослідженнях на макрорівні за об’єкт досліджень обрано плоди яблук, сливи, аличі та ягоди винограду.

Лабораторна установка, що відповідала цій частині досліджень, у своєму складі мала балон високого тиску з діоксидом вуглецю, прозорий сосуд, виконаний з можливістю його герметизації і устаткований манометром та засобами різкої розгерметизації. Досліди виконувалися окремо для різних груп продуктів, які закладалися в сосуд, здійснювалося під’єднання останнього до балона і через редуктор діоксид вуглецю заповнював сосуд з об’єктами досліджень. Встановлювався заданий рівень тиску, під яким здійснювалася витримка на протязі розрахункового часу.

В момент розгерметизації і на протязі певного часу мало помітне збільшення розмірів (об’ємів) окремих об’єктів, на зрізах яблук і слив мало місце помітне виділення соку, яке за рахунок виходу з глибинних шарів СО2 приводило до аналогу кипіння з утворенням пінної фракції.

Візуальна оцінка тонких зрізів тканин яблук і слив під мікроскопом дозволила встановити у порівнянні зі зразками необроблених плодів суттєві зміни, які відображені руйнуванням оболонок рослинних клітин.

Вихід соку і піноутворення за обробки ягід винограду був таким значним, що це давало можливість зафіксувати їх перебіг на магнітну плівку і перейти до комп’-

ютерного відтворення і аналізу.

Кінцевий результат ТРЗТ на рівні руйнування клітинних структур певним чином слід розповсюдити і на мікрорівень. Експериментальні дослідження по оцінці впливів на дріжджові клітини, які було обрано за тест-культуру, організовувалися наступним чином.

Готувалася розводка хлібопекарських дріжджів і вона виконувала роль оброблюваного середовища, яке передавалося в сосуд, де проходило стадію насичення діоксидом вуглецю у викладеній раніше послідовності. Різка розгерметизація насиченого середовища також супроводжувалася зростанням об’єму середовища, утворенням пінної фракції. Наступним етапом дослідження шляхом оцінки реакції на метиленову синь і з використанням камери Горяєва встановлювалося співвідношення кількості живих і відмерлих клітин. Аналогічне співвідношення визначалося в паралельному досліді для необроблюваного середовища з тією ж тест-культурою. Схема і склад експериментальної установки наведені на рис. 2.

Враховуючи особливості взаємодії мікроорганізмів з середовищами на рівні осмотичних тисків, окрема група дослідів була проведена в системі “водний розчин

цукру – дріжджі”.

За збереження всіх інших умов попередньої групи дослідів за нових умов суттєво підвищувався осмотичний тиск середовища. При цьому рівень летальних ефектів опускався до 70-80%. Вказані відмінності потребували пояснення, що знайшло відображення в спеціальних експериментальних дослідженнях розділу 6.

Результати експериментальних досліджень по оцінці ефектів ТРЗТ, їх аналіз і висновки наведені в розділі 5.

Помітна зміна концентрації цукрів приводить не тільки до зміни швидкості процесів біосинтезу, а навіть спричиняє перехід від аеробних процесів до анаеробних, тобто від синтезу біомаси до переробки цукрів на спирт.

Таким чином, слід очікувати виявлення певного рівня зв’язків між вказаними чинниками і до числа задач досліджень віднесено узагальнення закономірностей зміни осмотичних тисків розчинених речовин в процесах бродіння. Саме процес бродіння обрано для досліджень у зв’язку з тим, що початковий склад речовин у ньому виглядає достатньо простим. Аналіз динаміки речовин у своєму складі здійснювався на основі загальновживаних співвідношень.

Теоретичні розрахунки виконані на цій основі дали можливість оцінити динаміку зміни осмотичних тисків за бродіння з урахуванням складових по діоксиду вуглецю.

Експериментальними дослідженнями визначалася швидкість зброджування цукрів за показником тиску СО2 в герметизованому об’ємі. За живильне середовище було обрано розчини цукрози, а в якості тест-культури – хлібопекарські дріжджі Saccharomyces cerevisiae. При цьому ставилася задача визначити впливи на мікроорганізми осмотичних стресів. У зв’язку з цим вибрана маса сухих дріжджів ділилася на дві рівні частини і на основі однієї з них на дистильованій воді готувалася розводка. Після витримки розводки на протязі двох годин, вона задавалася у підготовлене живильне середовище (при цьому температури розводки і середовища були однаковими для усунення температурних стресів). Друга частина дріжджів у вигляді сухих задавалася безпосередньо у живильне середовище. Ці два крайні підходи до початку зброджування було прийнято на основі феноменологічних міркувань і висновків, які базуються на теоретичних моделях, розроблених на основі відомих співвідношень по масообміну в системах з напівпроникними мембранами.

Після задавання дріжджів в живильне середовище сосуди герметизувалися, встановлювалися манометри і сосуди розміщувалися в термостат для підтримання стабільної температури середовищ на рівні 28 оС.

Результати цієї частини експериментальних досліджень представлені в розділі 6 з аналізом одержаних результатів.

В теоретичних дослідженнях відслідковуються взаємозв’язки між зовнішніми для системи тисками і осмотичними тисками середовищ, розроблено аналітичні моделі, що відображують динаміку масообмінних процесів і осмотичні тиски на клітинному рівні.

Накопичення даних по впливах різних фізичних і хімічних факторів на фоні осмотичних тисків привело до необхідності постановки багатофакторного експерименту. При цьому оцінювалася комбінація впливів осмотичних і вакуумних.

Рівні осмотичних тисків середовищ задавалися розрахунковою концентрацією цукру, а оцінку впливів окремих факторів здійснювали в попередній групі дослідів. Останнє дозволило визначити рівні варіювання факторів, які закладалися в наступний багатофакторний експеримент. Здійснювався багатофакторний експеримент за алгоритмом, що відповідає матриці планування, а завершувався побудовою поліноміальної моделі.

Розділ 3 присвячено вивченню процесів пов’язаних з вакуумною обробкою біологічних середовищ. Огляд технологій та апаратурного забезпечення дозволив сформулювати задачі дослідження, як:–

розвиток теорії розрахунку вакуумних систем;–

подальше вивчення впливу вакууму на біологічні середовища і процеси тепло- і масопередачі;

– оцінка взаємозв’язків між динамікою зміни термодинамічних параметрів і біологічними середовищами.

За рахунок вакуумування має місце активне випаровування вологи і зміна температури середовища. Вихідними даними для встановлення взаємозв’язку між термодинамічними параметрами вакуумізованого середовища були початкова маса середовища m(п), його початкова температура t(п), кінцева температура t(к), яка визначає кінцевий тиск вакуумування Р(к). Вважалося при цьому, що пароутворення відбувається у всьому об’ємі рідинної фази.

Кількість теплоти Q1, що втрачається середовищем за умовою теплового балансу рівна тій кількості Q2, що необхідна для пароутворення і прирівнявши значення Q1 і Q2 та здійснивши розв’язання відносно кінцевої маси m(к) одержуємо

(1)

де r – теплота пароутворення; с – теплоємкість середовища.

З рівняння (1) видно, що за рахунок вакуумування можливо охолоджувати рідинні середовища аж до замерзання. Утворенню твердої фази відповідає умова °С і тоді

(2)

Поєднати в одному процесі вимоги повного випаровування за рахунок влас-ної теплоти середовища і досягення величиною значення неможливо через обмеження °С. Результати розрахунків по визначенню залежності представле-ні на рис. 3. Подальше зменшення величини можливо лише за рахунок підведення теплоти до систе-ми, тобто не в режимі адіабатного процесу. За умови вакуумування має місце швидка зміна статичного тиску, і відбувається різка зміна розмірів газопарових бульбашок. Якщо статич-ний тиск до початку вакуумування складає величину Р1, а після вакууму-вання  – Р2 , то параметри окремої бульбашки в ізотермічному процесі співвідносяться як

. (3)

За дотримання бульбашкою форми сфери, маємо

. (4)

Якщо прийняти початковий тиск Р1 стабільним, то тоді функція відгуку, якою є радіус R2 залежить від таких факторів, як радіус R1, кінцевий тиск Р2 і поверхневий натяг .

Оскільки рівняння (4) трансцендентне, то для його розв’язання скористає-мося методом ітерацій в постановці трифакторного обчислювального експеримент-ту. Обробка результатів обчислювального експерименту дозволила одержати рівняння регресії:

R2 = – 1,32.10-3 + 7,551.10-10Р2 + 3,904R1 – 4,456.10-4 – 1,102.10-4Р2R1 +

1,793.10-8 Р2 + 1,134 R1 + 1,633.10-5 Р2 R1. (5)

У відповідності з фізикою явища вакуумування парова або парогазова бульбашка знаходиться у рідинному середовищі весь час перехідного процесу, а початковий статичний тиск на неї складає величину Р1. Тоді тиск у середині бульбашки визначається сумою статичного та Лапласівського тисків, і

(6)

де Р(п) – початковий тиск газу у бульбашці.

Оскільки бульбашка знаходиться у рідинному середовищі, а розширення бульбашки супроводжується зниженням тиску і температури газу, то тут можливі два випадки. Якщо тиск вакуумування Рвак = , де  – час процесу змінюється повільно, то температура газового середовища бульбашки близька до сталої і наближена до температури рідинного середовища. Тому з деяким наближенням подібний процес можливо віднести до ізотермічного.

За різкої зміни тиску Рвак розширення бульбашки буде швидким і його надалі будемо відносити до адіабатного.

Ізотермічний процес. Стосовно ізотермічного процесу маємо співвідношення

(7)

де V1 і V – відповідно початковий і плинний об’єм бульбашки.

Визначивши об’єм бульбашки через її радіус, а радіус через площу поверхні бульбашки S запишемо

. (8)

Одержана залежність дає взаємозв’язок між плинним тиском всередині бульбашки і плинною поверхнею.

Рушійний фактор процесу розширення

. (9)

Фактори опору розширення бульбашки представимо двома складовими. Одна з них є інерційним фактором приведеної маси і

, (10)

де  – плинний час процесу;  – густина рідинного середовища.

Друга складова визначається опором середовища і тиск його протидії визначається за формулою

, (11)

де – швидкість зміни радіуса бульбашки у процесі розширення;  – коефіцієнт опору середовища.

Оскільки , де – швидкість зміни поверхні, то

. (12)

Одержані залежності дають можливість записати диференціальне рівняння розширення бульбашки за вакуумування

. (13)

Початкові умови одержаного нелінійного диференціального рівняння другого порядку ; ; . (14)

Кінцеву умову по параметру S знайдемо ітераціями з формули

. (15)

Знайдене з рівняння (15) значення S(к), підставлене до розв’язання формули

(13) дає можливість визначити кінцевий час розширення .

Припустивши, що розширення бульбашки відбувається у ламінарному режимі відобразимо величину критерію Re через параметри, які входять до рівняння (13)

. (16)

Тоді , а . Підстановкою останньої величини одержуємо

. (17)

Аналогічно для адіабатного процесу

. (18)

Початкові умови мають вид (14), а кінцевим умовам відповідають параметри

; . (19)

Одержані рівняння (17) та (18) є нелінійними і їх розв’язання можливе з використанням числових методів за відомих початкових умов.

В певних випадках при пакуванні харчової продукції час перехідного процесу має принципове значення, а тому зупинимось на його оцінці скориставшись покроковими розрахунками. Витікання газів і пари з вакуумних камер здійснюється за рахунок розрідження в системі.

Позначимо об’єм камери вакуумування V0 і, скориставшись рівнянням стану газу, визначимо його початкову масу

, (20)

де Р0 і Т0 – відповідно початковий тиск і початкова абсолютна температура повітря у камері.

Якщо на першому кроці розрахунків одержуємо відповідно тиск Р1 і темпера-туру Т1, то маса повітря, що залишається, складає , а маса видаленого

повітря

.

Об’ємна маса повітря в камері до вакуумування кг/м3, а після першого кроку вакуумування . Тоді масові витрати на першому кроці

, (21)

а час перебігу вакуумування на першому кроці

. (22)

Відповідно для другого кроку записуємо

. (23)

Тоді час перебігу вакуумування на n-ому кроці

. (24)

Загальний час вакуумування на першому етапі

(25)

де k – номер останнього кроку в розрахунках по першому етапу. Складові рівняння (24) на n-ому кроці визначаються за формулами

; . (26)

Результати розрахунків по визначенню часу вакуумування за вибраних пара-метрів зміни тиску від 0,09 до 0,08 МПа; Рвак = 0,0017 МПа; Т1 = 293; 303; 313 К та площі перерізу насадки f = 1.10-4 м2 наведено на рис. 4.

У розділі 4 представлено дослідження закономірностей пастеризаційної та стерилізаційної обробки фасованої продукції.

До числа задач цього розділу входило наступне:–

виконання теоретичних і експериментальних досліджень по створенню підґрунтя для конструкторських розрахунків теплової, гідравлічної і механічної системи пристроїв для пастеризації фасованої продукції;–

розробка основ по оптимізації теплотехнічних і гідравлічних систем пристроїв для пастеризації фасованої продукції.

Експериментальні дослідження динаміки теплообміну в процесах нагрівання

і охолодження упаковок виконувалися стосовно двох типорозмірів пляшок місткістю 0,5 і 0,33 л у вертикальній і горизонтальній орієнтаціях в режимах душіювання і занурення з застосуванням термозонду, на якому встановлювалися шість термопар. При цьому термопари від першої до п’ятої призначалися для виміру температур по висоті рідинного шару, а шоста термопара в безперервному режимі фіксувала температуру теплоносія.

Практичне співпадіння динаміки нагрівання в режимах душіювання і занурення свідчать на користь того, що гідродинамічний стан теплоносія на поверхні упаковки практичного впливу немає, хоча за своїми характеристиками ці стани суттєво різні. Це дає підставу зробити висновок про те, що термічний опір тепловіддачі не є лімітуючим або ж вважати, що має місце співпадіння величини ?1 в обох випадках, хоча вірогідність такого співпадіння дуже мала.

Отримані результати, пов’язані з охолодженням вмісту пляшок в режимах зрошування і занурювання з різною їх орієнтацією дали можливість зробити висновок про те, що в режимах охолодження до механічних напружень додаються термічні і це необхідно враховувати при виборі параметрів охолодження.

Одним з важливих показників процесів стерилізації і пастеризації є внутрішній тиск в упаковках. В основі підвищення тиску в герметичних упаковках є теплове розширення рідинної і газової фаз. Для випадку, коли в рідинній фазі присутній розчинений газ, то зміна термодинамічних параметрів супроводжується порушенням стану рівноваги і можливим стає масообмін в системі. При цьому напрямок переміщення газу (в рідину чи з неї) в значній мірі залежить від співвідношення об’ємів газової і рідинної фаз. Якщо частка об’єму газової фази порівняно значна, то теплове розширення рідинної фази мало змінює першу і тоді з певним наближенням процес можливо вважати ізохорним. Використовуючи співвідношення у ізохорному процесі необхідно контролювати можливі зміни по рівню розчинності діоксиду вуглецю, оскільки підвищення температури зменшує константу насичення Сн , а зростання тиску збільшує. Числовому значенню Сн відповідає певне співвідношення тиску в упаковці і температури продукту.

Для газонасичених середовищ з обмеженою за об’ємом часткою газової фази необхідним є врахування обох складових впливів. Для одержання розрахункових залежностей скористаємося рівнянням газового стану

Р1V1 = М1RT1. (27)

Величину об’єму газової фази після нагрівання продукту знайдемо за виразом

V2 = V1 – Vp.?.?t .

де Vp – об’єм рідинної фази; ? – коеф. об’ємного розширення рідинної фази.

В процесі нагрівання за рахунок десорбції газу з рідини маса СО2 у газовій фазі буде змінюватись

?М = (Сн – С(п)) Vp (28)

Тоді запишемо

Р2(V1 – Vp.?.?t) = М2R(Т1 + ?t) (29)

Враховуючи, що

М2 = М1 ± ?М = М1 ± (Сн – С(п)) Vp , (30)

Одержуємо

. (31)

Розв’язання рівняння (31) ускладнено, оскільки в правій частині маємо величину Сн , яка одночасно є функцією тиску Р2 і температури Т2 = (Т1 + ?t). Оскільки залежність сталої насичення від тиску визначається законом Генрі Сн = kР, (де k – константа Генрі), то скористаємося наявністю числових або графічних залежностей Сн = Сн(Р) при t = const (рис. 5). У зв’язку з нелінійністю залежності для можливості подальшої обробки результатів розрахунків представимо її у напівлогарифмічних координатах (рис. 6).

З неї витікає умова виду , де коефіцієнт m0 визначено за формулою

.

Для води знайдено А = 3,49 та m0 = 0,0316 і тоді

(32)

Рівняння (32) приводить до форми, що