Автоматизированный расчет термограмм стерилизации и пастеризации

Автоматизированная система расчета термограмм стерилизации мясных консервов и пастеризации вареных колбасных изделий была разработана на кафедре автоматизации производственных процессов МГУПП. В статье описаны основные этапы процесса разработки новой системы и раскрыты некоторые ее возможности.

Тепловая обработка представляет собой завершающий этап технологического процесса производства мясных изделий, от оптимального выбора параметров которого во многом зависит как качество, так и безопасность конечного продукта. Для обеспечения кулинарной готовности и требуемого стерилизующего (консервы) или пастеризующего (вареные колбасы) эффекта необходимо обеспечить прогрев центральной части изделия до заданной температуры и выдержку его при этой температуре в течение определенного времени.

Разнообразие ассортимента мясных изделий по видам сырья, способам приготовления и режимам термообработки требует многократного определения термограммы процессов стерилизации и пастеризации для каждого вида выпускаемых изделий. Это обусловливает необходимость проведения большого числа экспериментальных исследований.

В МГУПП разработана компьютерная программа расчета термограмм для широкого спектра мясных консервов и вареных колбасных изделий в искусственных и натуральных оболочках, основанная на математическом моделировании процессов термообработки.

В качестве физических моделей объектов исследования были выбраны:

-                   ограниченный по высоте цилиндр для консервов и колбасных изделий с отношением длины к радиусу меньше 4;

-                   цилиндр неограниченной длины для колбасных изделий с отношением длины к радиусу более 4.

В качестве математических моделей процесса тепловой обработки использовались записанные в цилиндрических координатах:

·                    уравнение теплопроводности Фурье для двумерного случая, соответствующее первой физической модели,

 

с граничными условиями третьего рода (конвективный теплообмен):

– на боковой поверхности цилиндра:

 ;

– на торцевой поверхности цилиндра:

 

и начальными условиями, задающими температуру изделия до начала тепловой обработки: U (r, z, 0) = U₀;

·                    уравнение теплопроводности Фурье для одномерного случая, соответствующее второй физической модели, 

с граничными условиями третьего рода (конвективный теплообмен) на боковой поверхности цилиндра: 

и начальными условиями, задающими температуру изделия до начала тепловой обработки: U (r, z, 0) = U₀,

где U, U₀ – текущая и начальная температура мясного изделия, °С; U_ср – температура греющей среды, °С; r, z – радиальная и осевая координаты, м; t – время, с; r₁, z₁ – радиус и ¹/₂ высоты изделия соответственно; а – коэффициент температуропроводности, м²/с; S=α/λ [здесь α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К); λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)].

Для решения поставленной задачи требуется задание пользователем следующей исходной информации:

-             теплофизические характеристики фарша (коэффициент температуропроводности, коэффициент теплоотдачи, коэффициент теплопроводности);

-             геометрические размеры изделия (длина и радиус);

-             начальная температура изделия;

-             значения требуемой температуры в центре изделия на всех этапах термообработки;

-             начальная термограмма (задаются время и температура начала каждого участка термограммы);

-             требуемый стерилизующий или пастеризующий эффект.

Кроме того, должны быть заданы:

-             коэффициенты приведения для расчета стерилизующего эффекта (все коэффициенты были рассчитаны предварительно и собраны в отдельную справочную таблицу);

-             коэффициенты приведения для расчета пастеризующего эффекта (все коэффициенты были рассчитаны предварительно и собраны в отдельную справочную таблицу).

Поставленная задача решалась в два этапа. На первом этапе рассчитывалось изменяющееся по времени поле температур по всему объему изделия с регистрацией температуры центральной точки.

При решении использовался численный метод конечных разностей. В соответствии с этим методом производные заменяются их приближенными значениями, выраженными через разности значений функции в отдельных точках – узлах сетки, и находилось решение в узлах сетки.

В соответствии с общей формулой стерилизации консервов для аппаратов периодического действия термограмма состоит из четырех участков (прогрев от начальной температуры до температуры стерилизации; собственно стерилизация; снижение температуры до уровня, позволяющего производить разгрузку аппарата; выдержка при заданной температуре).

Аналогичный вид имеет термограмма для вареных колбас в искусственной оболочке. Для вареных колбас в натуральной оболочке термограмма включает в себя два дополнительных участка: подсушку и обжарку.

На втором этапе расчет поля температур по толще изделия сопровождался расчетом стерилизующего и пастеризующего эффектов.

При стерилизации мясных консервов действие стерилизующего эффекта начинает проявляться при температурах выше 100 ºС, когда уничтожается в основном вегетативная форма микроорганизмов и большая часть споровых. В качестве эталонной принята температура стерилизации 121,1 ºС. Общий эффект стерилизации спор F_эффект представляет собой сумму элементарных стерилизующих эффектов, достигаемых в каждой точке кривой нагрева и охлаждения консервов. Перерасчет к эталонной температуре осуществлялся с помощью коэффициента приведения K_F.

При пастеризации вареных колбасных изделий действие пастеризующего эффекта начинает проявляться при температурах выше 80 ºС, когда уничтожается вегетативная форма микроорганизмов. Расчет общего эффекта пастеризации аналогичен расчету эффекта стерилизации, только в качестве эталонной принята температура 80 ºС.

Для расчета стерилизующего и пастеризующего эффектов использовался графический метод. Процедура расчета свелась к следующим операциям:

1. Построение термограммы стерилизации (пастеризации) в центральной зоне изделия.

2. Определение момента времени, после которого температура в центральной зоне продукта превысила 100 ºС (начальная температура отмирания спор) или 55 ºС (начальная температура отмирания микроорганизмов в вегетативной фазе).

3. Перерасчет реальных времени и температуры к времени действия эталонной температурыс помощью коэффициента приведения K_F, значения которого для широкого спектра температур берется из справочных таблиц.

4. Определение значения коэффициента приведения K_F для каждого участка термограммы центральной зоны.

5. Расчет значения стерилизующего эффекта F_эффект как площади криволинейной трапеции по формуле прямоугольников: 

,

где n – число временных участков продолжительностью ∆t=5 мин части термограммы центральной зоны выше 100 ºС при стерилизации и 55 ºС при пастеризации, K_Fi – коэффициент приведения для i-того участка термограммы.

6. Сравнение полученного стерилизующего эффекта F_эффект с нормативным расчетным эффектом F₀.

7. В случае избыточного или недостаточного времени стерилизации пользователь уменьшает или увеличивает на выбранный временной шаг продолжительность процесса стерилизации, после чего происходит новый расчет температурного поля по толще консервов.

Изменение термограммы продолжается до тех пор, пока рассчитанный стерилизующий эффект будет отличаться от нормативного расчетного не более чем на 5 %.

Результаты расчетов оформлены в виде таблицы и графиков изменения температур в точках поверхностных слоев и центральной зоны консервов, конечной рассчитанной термограммы стерилизации, значения достигнутого стерилизующего эффекта.

Процедура диалога пользователя с компьютерной системой оформлена в виде удобного пользовательского интерфейса, первая экранная форма которого представлена на рис. 1.

                         Рис. 1. Главное меню программы

Пункты главного меню позволяют выбрать тип изделия, для которого требуется рассчитать термограмму, обеспечивающую кулинарную готовность изделия и требуемый уровень стерилизации (пастеризации).

На второй экранной форме (рис. 2) пользователю требуется ввести необходимую исходную информацию. После нажатия рабочей кнопки «Выполнить» система осуществляет расчет термограммы (табл. 1). На этой же экранной форме отображаются параметры начальной и конечной термограммы (табл. 2 и 3) и значение достигнутого стерилизующего (пастеризующего) эффекта (табл. 4).

Для графического представления рассчитанной термограммы необходимо нажать рабочую кнопку «График», в результате чего высвечивается третья экранная форма диалога (рис. 3).

Таблица 1. Расчет термограммы вареных колбас в искусственной оболочке

Исходная информация		Коэффициент приведения КF
Коэффициент температуропроводности a	0,001 8	Температура, ºС	КF	Температура, ºС	КF
Коэффициент теплоотдачи α	0,004	55	0,03	67	0,5
Коэффициент теплопроводности λ	0,004	56	0,04	68	0,63
Начальная температура u0	15	57	0,05	69	0,79
Продолжительность процесса, с	13 400	58	0,06	70	1
Шаг разбиения по радиусу h	0,1	59	0,08	71	1,26
Шаг разбиения по времени l	30	60	0,1	72	1,58
Шаг печати по времени lpech	10	61	0,13	73	1,99
Радиус батона ®	4,5	62	0,16	74	2,51
Число точек разбиения по радиусу n	9	63	0,2	75	3,16
Число участков термограммы Nterm	5	64	0,25	76	3,98
Нормативный пастеризующий эффект f0	12	65	0,32	77	5,01
Требуемая температура в центре, ºС	68	66	0,4	78	6,31

Таблица 2. Начальная термограмма

№ участка	Время, мин	Температура, ºС	Тангенс
1	0	15	0,36
2	3	80	0
3	100	80	–1,25
4	103	5	0
5	225	5	0

Таблица 3. Конечная термограмма

№ участка	Время, мин	Температура, ºС	Тангенс
1	0	15	0,36
2	3	80	0
3	94	80	–1,25
4	95	5	0
5	218	5	0

Таблица 4. Достигнутый пастеризующий эффект

Достигнутый пастеризующий эффект

fa

12,435

 

Рис. 2. Исходные данные и результаты расчетов 

Рис. 3. Термограмма вареной колбасы в искусственной оболочке

 Аналогичным образом осуществляется расчет термограмм для других изделий. На рис. 4 и 5 представлены рассчитанные термограммы для консервов и вареных колбас в натуральной оболочке.

 

Рис. 4. Термограмма мясных консервов

Рис. 5. Термограмма вареной колбасы в натуральной оболочке

Разработанный программный комплекс позволяет рассчитывать термограммы для широкого спектра мясных изделий. Его использование не требует специальных знаний. Удобный интерфейс позволяет пользователю в режиме диалога с ЭВМ, изменяя представленные в табл. 1 значения теплофизических коэффициентов a, α, λ, геометрические размеры (радиус R₁, высота H₁) и значение нормативного стерилизующего или пастеризующего эффекта F₀, смоделировать вид сырья, конфигурацию изделия, степень стерилизации.

Конечным итогом работы системы является рассчитанная под конкретный вид изделия термограмма процесса стерилизации или пастеризации.