На правах рукописи

КАЙЧЕНОВ АЛЕКСАНДР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО СПОСОБА

СТЕРИЛИЗАЦИИ КОНСЕРВОВ ИЗ ГИДРОБИОНТОВ

Специальности 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных

продуктов и холодильных производств

05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мурманск – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" на кафедре автоматики и вычислительной техники.

Научные руководители:

кандидат технических наук, доцент Гроховский Владимир Александрович кандидат технических наук, доцент Маслов Алексей Алексеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Фатыхов Юрий Адгамович доктор технических наук, профессор Богатиков Валерий Николаевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Атлантический институт рыбного хозяйства и океанографии» (ФГУП «Атлант НИРО»).

Защита состоится 02 ноября 2011 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 307.009.02 в Мурманском государственном техническом университете по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, д. 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, д. 13, ФГБОУ ВПО "МГТУ".

Автореферат разослан 30 сентября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 307.009.02, канд. техн. наук, профессор И. Н. Коновалова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение населения качественными и безопасными продуктами из гидробионтов является стратегической задачей рыбной отрасли России. Одним из наиболее популярных продуктов в нашей стране являются стерилизованные консервы, а ключевым процессом, определяющим их безопасность и качество, является стерилизация.

Большой вклад в разработку теоретических и практических основ технологии стерилизованных консервов внесли такие учёные, как Б.Л. Флауменбаум, В.П. Бабарин, С.А. Артюхова, Л.Т. Серпунина, З.П. Швидкая, В.Бигелоу, Ч.Болл, Ч.Стамбо и другие.

Поскольку ассортимент выпускаемых консервов в условиях жёсткой рыночной конкуренции, постоянно расширяется, а к безопасности и качеству продуктов предъявляются всё более высокие требования, совершенствование технологии стерилизованной продукции не теряет своей актуальности.

Создание новых видов консервов, применение новых видов консервной тары требуют разработки научно обоснованных формул стерилизации, утверждаемых затем в установленном порядке.

Существующие методики установления и применения формул стерилизации в России не меняются уже десятилетия и основаны на использовании двух параметров – температуры и продолжительности воздействия на продукт стерилизационной среды (пара, воды, паровоздушной смеси). Эти параметры, в конечном итоге, определяют уровень фактического стерилизующего эффекта (F – эффекта), который в результате проведения процесса должен превысить нормативный. Анализ действующих (утверждённых) режимов стерилизации для различных видов консервов свидетельствует о том, что в ряде случаев установленные температурно – временные режимы стерилизации приводят к значительному превышению нормативного стерилизующего эффекта. Одним из путей решения данной проблемы является непосредственное регулирование и контроль процесса стерилизации по F-эффекту. До сих пор использование данного решения сдерживалось по различным причинам. В настоящее время, благодаря появлению средств высокоточного измерения температуры в центре банки, доступных средств автоматизации на базе микропроцессорной техники, стало возможным заканчивать процесс стерилизации именно тогда, когда достигнута требуемая летальность.

Разработка режима стерилизации зачастую требует использования значительных энергетических, материальных и временных ресурсов. Трудоёмкость его разработки обусловлена проведением большого количества автоклавоварок, необходимых для получения и утверждения режимов стерилизации.

Очевидно, что упрощение процедуры разработки возможно при использовании метода температурного моделирования. При этом, для получения модели процесса, представляющей совокупность температурных моделей стерилизатора и продукта, можно значительно сократить количество необходимых автоклавоварок.

Использование адекватных моделей позволит получить оптимальный температурно-временной режим стерилизации, точно обеспечивающий требуемую летальность. Предлагаемый способ стерилизации отличается от традиционного современным подходом к технологии стерилизованных консервов, и в связи с этим получил название «модернизированный».

Таким образом, разработка и исследование модернизированного способа стерилизации консервов из гидробионтов, позволяющего упростить разработку режимов стерилизации и сократить продолжительность процесса стерилизации, предопределяют актуальность данной работы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и научное обоснование модернизированного способа стерилизации консервов из гидробионтов (по фактическому стерилизующему эффекту). Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

провести аналитические исследования традиционных и перспективных методов автоклавирования консервов из гидробионтов и методик построения формул стерилизации;

провести теплотехнические исследования новой алюминиевой банки Impress конической формы и экспериментально определить её наименее прогреваемую область;

получить математические температурные модели продукта из гидробионтов (консервы «Печень трески натуральная») и автоклава (АВКМ) при стерилизации в водной среде;

разработать модернизированный способ стерилизации консервов в водной среде, основанный на вычислении фактического стерилизующего эффекта и использовании его в качестве основного регулируемого и контролируемого параметра;

разработать и реализовать оптимальную микропроцессорную автоматическую систему управления для модернизированного способа стерилизации;

изготовить опытную партию консервов «Печень трески натуральная» в новой банке Impress;

исследовать готовую продукцию на промышленную стерильность;

определить показатели качества готовой продукции;

разработать техническую документацию на изготовление и стерилизацию в водной среде модернизированным способом консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress.

Научная новизна работы.

Научно обоснован и разработан модернизированный способ стерилизации (по фактическому стерилизующему эффекту).

Предложены аппроксимирующие температурные модели продукта (консервы «Печень трески натуральная) и автоклава АВК-30М при стерилизации в водной среде.

Впервые разработана оптимальная автоматическая система управления процессом стерилизации консервов по модернизированному способу.

Практическая значимость работы.

Разработана и запатентована стерилизационная установка (Патент РФ на полезную модель № 94418 от 27.05. 2010 г.) Получено Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2008614098 Рос. Федерация «MISt.Reader_OWEN. (МИСт. Преобразование отчетов ОВЕН)».

Разработана техническая документация на изготовление и стерилизацию в водной среде модернизированным способом консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress.

Подана заявка на патент РФ на изобретение "Способ управления процессом стерилизации консервов, основанный на F-эффекте" № 2011124095 от 14.06. 2011 года.

Результаты научных исследований будут использованы для промышленного выпуска консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress в пресервно-консервном цехе «Кильдин» ОАО «Мурманский траловый флот» и ООО «Роскон» (Калининградская обл.), а также в учебном процессе подготовки инженеров по специальностям 260302.65 «Технология рыбы и рыбных продуктов», 260602.65 «Пищевая инженерия малых предприятий», 220301. «Автоматизация технологических процессов и производств», бакалавров по направлениям 260200.62 «Продукты питания животного происхождения», 220700.62 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается тщательной проработкой моделей исследуемых процессов, корректным применением методов аппроксимации, идентификации и теории оптимального управления, использованием апробированных расчетных методик, согласованием данных расчетов и экспериментов.

Внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в виде стерилизационной установки АВК-30М в учебно-экспериментальном цехе (УЭЦ) кафедры "Технологии пищевых производств" (ТПП) ФГБОУ ВПО Мурманский государственный технический университет (МГТУ).

Основные положения работы, выносимые на защиту:

• математические температурные модели продукта (консервы «Печень трески натуральная») и автоклава АВК-30М при стерилизации в водной среде;

• модернизированный способ стерилизации консервов, основанный на вычислении фактического стерилизующего эффекта и использовании его в качестве основного регулируемого параметра;

• оптимальная микропроцессорная система автоматического управления процессом стерилизации;

• результаты исследований готовой продукции на промышленную стерильность;

• показатели качества готовой продукции.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях "Наука и образование" (Мурманск, 2009, 2011); VII всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и современные информационные технологии" (Томск, 2009); международной научнопрактической конференции, посвященной памяти профессора Н. Н. Рулева "Техника и технологии переработки гидробионтов и сельскохозяйственного сырья" (Мурманск, 2008); Х Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2010, золотая медаль), Международной научнопрактической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Наукові здобутки молоді у вирішенні актуальних проблем виробництва та переробки сировини, стандартизації і безпеки продовольства» (Украина, Киев, 2011) Экспериментальная часть работы выполнена в Мурманском государственном техническом университете в рамках научно-исследовательской работы по госбюджетным темам «Комплексная модернизация систем контроля и управления процессами стерилизации и копчения» (ГР № 01200900799) и «Разработка и совершенствование технологий стерилизованных пищевых продуктов» (ГР № 01200603804).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получены авторское свидетельство на программу для ЭВМ и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (116 наименований) и 19 приложений.

Работа изложена на 191 странице, содержит 58 рисунков и 36 таблиц. В приложениях представлены алгоритмы, расчеты, программы и акты испытаний, акт внедрения, выписка из протокола дегустационного совета, технологические инструкции.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы защищаемые положения.

В первой главе проведены аналитические исследования современного состояния консервного производства, анализ традиционных способов стерилизации консервной продукции, выявлены их достоинства и недостатки.

Сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе «Объекты и методы исследования, организация эксперимента» представлена программно-целевая модель исследований (рис. 1), приведена характеристика объектов и методов исследования.

Объектами исследования являются: сырьё и консервы «Печень трески натуральная» в банке Impress; автоклав АВК-30М.

Эксперименты проводились на кафедрах автоматики и вычислительной техники и технологии пищевых производств, в учебно-экспериментальном цехе МГТУ.

Анализ современного состояния разработок в Формулирование целей и задач исследований Исследование Исследования по Исследования по Исследования нию наименее математических реализации авто- продукции на прогреваемой температурных матизированной промышленную конической трески натураль- модернизирован- показателей Разработка модернизированного способа стерилизации по фактическому Разработка ТИ на изготовление и стерилизацию консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress с использованием модернизированного способа стерилизации Практическая реализация результатов исследований, включающая создание оптимальной микропроцессорной системы Рис. 1. Программно-целевая модель исследований При разработке технологии изготовления консервов «Печень трески натуральная» в новой банке Impress с использованием модернизированного способа стерилизации определялись качественные показатели сырья, ингредиентов и готовых продуктов.

Химический состав сырья и ингредиентов определяли в соответствии с ГОСТ 7636-85. Показатели качества консервов «Печень трески натуральная»

определяли в соответствии с разработанными балльными шкалами с учетом коэффициентов значимости отдельных показателей качества (Волченко В.И., 2004), а также с использованием профильного метода (Сафронова Т.М., 1985).

Микробиологические испытания проводили согласно ГОСТ 30425-97.

Описана банка Impress как новый вид консервной тары при стерилизации печени трески. Особое внимание уделено определению наименее прогреваемой области конической банки. Была выдвинута гипотеза о смещении вверх наименее прогреваемой области банки Impress, относительно половины ее высоты. Проверка гипотезы проводилась тремя способами: математическим описанием геометрических особенностей банки; расчетом теплопередачи в банке с продуктом с помощью современного математического пакета MatLab; экспериментально.

Описана стерилизационная установка АВК-30М и алгоритм ее работы в ходе процесса стерилизации в водной среде. Особое внимание уделяется стерилизационной камере автоклава, методикам исследования температурного поля.

Аналитические исследования в области традиционных способов стерилизации консервов, установления режимов автоклавирования для консервов в соответствии с утверждённым регламентом и методиками, свидетельствуют о том, что большинство формул стерилизации утверждается со значительным превышением фактического стерилизующего эффекта над требуемой летальностью. При этом, с одной стороны, гарантируется безопасность выпускаемой продукции, с другой стороны, утрачиваются её ценные качественные характеристики, повышаются энергозатраты, увеличивается продолжительность процесса стерилизации.

Поэтому предложен модернизированный способ стерилизации, основанный на вычислении фактического стерилизующего эффекта и использовании его в качестве регулируемого параметра в системе автоматического управления процессом автоклавирования.

Предлагаемый способ стерилизации заключается в достижении значения фактического стерилизующего эффекта, не превышающего нормативный стерилизующий эффект FT более, чем на 10%. На протяжении всего процесса осуществляется расчет значения температуры в наименее прогреваемой области банки с продуктом по результатам численного моделирования с использованием математического описания стерилизационной камеры автоклава, а также текущих значений температуры в аппарате. Расчет фактического стериZ лизующего эффекта LT осуществляется для вычисленных значений температуры продукта по формуле:

где Tб – базисная температура, С;

z – число градусов, на которое необходимо изменить температуру, чтобы время термической смерти микроорганизмов изменилось в 10 раз, С;

– время стерилизации, сек;

Tпр() –вычисленное текущее значение температуры продукта, С.

После проведения предварительного моделирования процесса стерилизации установлено, что наиболее эффективное регулирование температуры в стерилизационной камере автоклава на этапах нагрева и стерилизации должно осуществляться таким образом, чтобы за минимальное время достичь 60-90% от заданного уровня фактической летальности для конкретного вида консервной продукции, что приводит к уменьшению продолжительности процесса.

Этап охлаждения консервов и, соответственно, снижение температуры продукта осуществляется так, чтобы фактический стерилизующий эффект не превышал нормативный стерилизующий эффект FT более, чем на 10%.

Функциональная схема системы автоматического регулирования по фактическому стерилизующему эффекту приведена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема системы автоматического регулирования по фактическому стерилизующему эффекту (*– рассчитанные значения) [Fзад(t) – заданное значение фактического стерилизующего эффекта; L*(t) – текущее рассчитанное значение фактической летальности; L(t) – разность заданного и текущего значений фактической летальности; T*пр(t) – текущее рассчитанное значение температуры продукта в наименее прогреваемой области банки; Tстк(t) – текущее значение температуры в стерилизационной камере автоклава; Тзад(t) – заданное значение температуры стерилизационной камеры].

Как видно из схемы, основным регулируемым параметром является фактическая летальность L*(t), заданным значением для которой является Fзад(t). Разность заданного и текущего значений фактической летальности L(t) поступает на блок 1, в котором вычисляется невязка текущего значения фактического стерилизующего эффекта и значения, рассчитанного на основе математического описания стерилизационной камеры автоклава.

При нулевом значении невязки Тзад(t) определяется по значению блока «Оптимальная формула стерилизации». При превышении невязкой значения 0,1 усл.мин, «Блок задания Т» изменяет продолжительность этапа собственно стерилизации таким образом, чтобы уменьшить невязку до нуля и обеспечить требуемое значение летальности.

Формула стерилизации отличается от традиционной тем, что ее параметры оптимизированы по определенному критерию. Исходя из того, что при модернизированном способе стерилизации требуется провести этапы нагрева и собственно стерилизации за минимальное время, на процесс накладываются ограничения. Во-первых, продукт при повышении температуры стерилизации будет прогреваться интенсивнее, но и быстрее будет терять полезные вещества (разрушение витаминов и др. ценных веществ). Температура стерилизационной камеры не должна превышать значения максимальной температуры стерилизации для определенного вида консервов при традиционном способе стерилизации. Во-вторых, продукт будет по органолептическим показателям тем лучше, чем меньшее избыточное тепловое воздействие оказывается на него в ходе процесса стерилизации. Исходя из этого, температура продукта не должна превышать значения утвержденного традиционного способа стерилизации.

Регулирование температуры в стерилизационной камере автоклава осуществляется так же, как и при традиционном способе стерилизации (блок 3).

Расчет текущего значения температуры продукта осуществляется для наименее прогреваемой области банки T*пр(t) (блок 4) на основании модели продукта. Расчет фактической летальности осуществляется по формуле (1) в блоке 5.

В третьей главе представлены результаты экспериментов и их анализ. В частности, приведены данные исследований теплопередачи в банке Impress, температурного поля стерилизационной камеры АВК-30М, теплофизические исследования консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress.

Исследование наименее прогреваемой области банки Impress проводилось тремя способами. Математическое описание геометрических особенностей банки позволило определить смещение наименее прогреваемой области (0,0008 м). Определение смещения было получено также с помощью решения уравнения теплопроводности параболического типа:

где с - удельная теплоёмкость вещества Дж/(кг·К); - плотность вещества, кг/м3; теплопроводность вещества, Вт/(м·К); T – температура, К; – время, с; qv - объёмная плотность мощности сторонних источников тепла, Вт/м3.

Моделирование теплопередачи в банке Impress с продуктом, проведенное в математическом пакете MatLab, показало смещение наименее прогреваемой области на 0,0007 м.

Экспериментальные данные, полученные с помощью комплекса Ellab на трех уровнях (+1; 0; -1) в банке Impress с однородным продуктом, позволили определить зависимость постоянной времени прогрева от координаты z (высоты банки):

Полученная зависимость (3) имеет вид параболы, с вершиной в центре плана эксперимента, то есть на высоте 0,0291 мм от дна банки. Половина высоты банки составляет 0,028 м. Таким образом, экспериментально определено смещение наименее прогреваемой области банки Impress вверх, относительно половины ее высоты.

Исследование теплопередачи в банке Impress подтвердило гипотезу о смещении вверх наименее прогреваемой области банки относительно половины высоты. Среднее значение смещения составило 0,00086±0,00003 м, что является незначительной величиной для данной банки. Следовательно, эксперименты по получению математической модели консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress возможно проводить на половине ее высоты.

Стерилизационная камера автоклава АВК-30М - сосуд объемом 0,03 м3.

В связи с относительно небольшим объемом стерилизационной камеры, а также наличием теплообмена камеры с парогенератором через стенку, была выдвинута гипотеза о равномерности температурного поля в стерилизационной камере автоклава АВК-30М при стерилизации в водной среде. Эксперимент подтвердил выдвинутую гипотезу.

Определение режима стерилизации, а также расчет фактического стерилизующего эффекта консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress проводилась для автоклава Ascamat 230 в производственных помещениях ПКЦ «Кильдин» ОАО «МТФ», а также для автоклава АВК-30М в лаборатории современных технологий производства продуктов из гидробионтов (СТППГ) МГТУ.

Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что режим стерилизации для автоклава АВК-30М эквивалентен по Fср-эффекту режиму для автоклава Ascamat 230, проходящему процедуру утверждения. При этом, значение фактического стерилизующего эффекта на 1,2 усл.мин (20%) больше требуемого значения ( FTZ =5,5 усл.мин.).

Таблица 1 – Результаты экспериментов по определению формулы стерилизации и расчету F-эффекта консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress.

Полученные данные экспериментов по определению формулы стерилизации для различных автоклавов позволили в дальнейшем получить математическое описание консервов «Печень трески натуральная», и на его основе оптимизировать процесс стерилизации.

В четвертой главе описаны результаты исследований по идентификации параметров объектов (стерилизационная камера АВК-30М, консервы «Печень трески натуральная» в банке Impress), а также результаты моделирования и экспериментов традиционного и модернизированного способов стерилизации.

Идентификация параметров модели продукта (консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress) проводилась для автоклавов Ascamat 230 и АВК-30М, в соответствии с результатами исследований по определению наименее прогреваемой области банки Impress с помощью комплекса Ellab и программы Modeller, разработанной автором (при участии канд. техн. наук Власова А.В., МГТУ).

Результаты идентификации параметров модели консервов «Печень трески натуральная», стерилизационной камеры автоклава АВК-30М на этапах нагрева и собственно стерилизации, а также парогенератора АВК-30М представлены в виде передаточных функций Wпрод.(p), Wстк. (p), Wпг.(p) на рис.

3, рис. 4 и рис. 5.

Максимальная относительная погрешность аппроксимации не превышает 5%. Следовательно, полученные в результате идентификации математические модели адекватны и могут быть использованы при моделировании процесса стерилизации в водной среде консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress для автоклава АВК-30М.

Модель процесса стерилизации на этапах нагрева и собственно стерилизации представлена в виде структурной схемы автоматического управления (рис. 3 и рис. 4).

Структурная схема контура регулирования температуры в автоклаве АВК-30М на этапе нагрева (рис. 3) состоит из контура регулирования температуры парогенератора Тпг (блок 7) и контура регулирования температуры стерилизационной камеры Тстк.

Рис. 3. Структурная схема контура регулирования температуры в АВК-30М.

Рис. 4. Структурная схема контура регулирования температуры в АВК-30М. Этап собственно стерилизации.

На этапе собственно стерилизации (рис. 4) контур регулирования температуры парогенератора является подчиненным для контура регулирования температуры стерилизационной камеры в связи с тем, что на этом этапе требуются меньшие энергозатраты, чем на этапе нагрева. Теплоприток осуществляется через стенку от парогенератора к стерилизационной камере и приводит к компенсации тепловых потерь АВК-30М в окружающую среду.

Коэффициенты регуляторов температуры на этапах нагрева и собственно стерилизации оптимизированы по критерию минимальных затрат на управление с помощью программного обеспечения Reg_Sost, разработанного сотрудниками кафедры А и ВТ МГТУ.

Моделирование традиционного процесса стерилизации проведено в среде Matlab для формулы стерилизации, приведенной в таблице 1 для автоклава АВК-30М.

Эксперимент, проведенный по традиционному способу стерилизации, показал, что среднее значение фактического стерилизующего эффекта Lэксп. по пяти автоклавоваркам (6,65 усл. мин.) незначительно отличается от заданного (6,7 усл. мин.). Модель адекватно отражает поведение процесса стерилизации.

Модель модернизированного процесса стерилизации получена на основе математического описания традиционного процесса. Структурная схема представлена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема контура регулирования температуры в АВК-30М. Модернизированный способ стерилизации. (Блок регулирования Тстк на этапе нагрева имеет вид, представленный на рис. 3; на этапе собственно стерилизации – на рис. 4) Блок 2 структурной схемы содержит оптимальную формулу стерилизации (о.ф.с.). На процесс управления модернизированным способом стерилизации накладываются два ограничения. В связи с тем, что консервы «Печень трески натуральная» стерилизуют традиционным способом при максимальной температуре 120 С, температура стерилизационной камеры не должна превышать это значение. Во-вторых, температура продукта не должна превышать 115 С (как и при традиционном способе стерилизации (таблица 1)).

Формула стерилизации оптимизирована по критерию минимальных затрат на управление процессом с учетом ограничений. Критерий оптимальности имеет следующий вид:

где K1, K2 – весовые коэффициенты; Lзад – заданное значение фактической летальности;

tпрод.макс. – максимальное значение температуры продукта;

Q() – энергозатраты на этапах A, B, D (рис. 6):

G1 – масса тела (воды), кг; с1 – теплоемкость тела (воды), Дж/(кг·К); Тн и Тк – начальная и конечная температуры в процессе нагрева соответственно, К;

G2 – масса тела (консервы), кг; с2 – теплоемкость тела (консервы), Дж/(кг·К); Тн_А; Тк_А;

Тн_B; Тк_B – начальная и конечная температуры консервов в процессе нагрева соответственно, К; F – площадь поверхности аппарата, м2; – время рассматриваемого участка, с; Тст – температура стенки, К; Тв – температура воздуха в помещении, К; – суммарный коэффициент теплопроводности при температуре стенки, Вт/(м2·К).

Q() включает в себя три составляющих (6) – энергозатраты на этапах QA, QB и QD. Стерилизация на этапе С происходит при естественном охлаждении автоклава.

На этапе А осуществляется прогрев воды до температуры стерилизации Тстк1. В зависимости от этой температуры энергозатраты на нагрев воды будут разными, следовательно, этот параметр необходимо оптимизировать. Также на этапе А происходят затраты энергии на нагрев консервов и компенсация потерь в окружающую среду (7).

На этапах B и D необходимо поддерживать температуры стерилизации Тстк1 и Тстк2, то есть компенсировать теплоотдачу автоклава в окружающую среду и обеспечивать нагрев консервов (8). На этапе D энергозатраты на нагрев консервов незначительны и не учитываются в критерии Jо.ф.с (9). Продолжительности этапов B и D являются оптимизируемыми параметрами.

Второе и третье слагаемое – штрафные величины Jо.ф.с., отвечающие за выполнение ограничения на модернизированный процесс стерилизации по максимальному значению температуры продукта (115 С) и заданному значению фактического стерилизующего эффекта Lзад. (6,7 усл. мин.).

Оптимизацию проводили методом покоординатного спуска в программе Modern_Optim, разработанной автором. Результаты оптимизации приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты оптимизации формулы стерилизации для консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress для автоклава АВК-30М Оптимизируемый параметр Температура в стерилизационной камере Тстк1,С 119, Моделирование и эксперимент, проведенный по модернизированному способу стерилизации, показал, что математическая модель адекватно отражает поведение процесса стерилизации (рис. 7). Среднее значение фактического стерилизующего эффекта эквивалентно заданному (6,7 усл.мин.).

Рис. 7. Результат моделирования и экспериментов оптимального модернизированного способа стерилизации.

Сравнение способов стерилизации показывает, что модернизированный способ является более эффективным с точки зрения энергозатрат и времени процесса (рис. 8).

Потребляемая электроэнергия меньше на 20 %, продолжительность модернизированного способа стерилизации короче на 8,9 %. Это позволяет повысить коэффициент использования стерилизационной установки и уменьшить энергозатраты на выработку партии консервной продукции.

Рис. 8. Результаты моделирования традиционного и модернизированного способов Уровень качества готовой продукции представлен в таблице 3 и в виде профилограммы на рис. 9.

Таблица 3 – Результаты производственных испытаний опытных образцов готовой продукции Рис. 9. Профилограммы органолептических показателей опытных образцов консервов «Печень трески натуральная»

Результаты исследований готовой продукции на промышленную стерильность приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Результаты испытаний опытных образцов готовой продукции на промышленную стерильность Спорообразующие мезофильные аэробные и факультатив- не более не обнаГОСТ 30425- низмы группы B.subtilis, в 1г Спорообразующие мезофильные аэробные и факультативне допус- не обнано-анаэробные микроорга- ГОСТ 30425- низмы группы B.cereus и B.polymyxa Спорообразующие термофильные анаэробные, аэроб- не допус- не обнаГОСТ 30425- анаэробные микроорганизмы По микробиологическим показателям консервы «Печень трески натуральная» соответствуют СанПиН 2.3.2.1078-00.

По органолептическим, физико-химическим и микробиологическим показателям консервы, изготовленные по модернизированному способу, не уступают традиционно изготовленным и соответствуют требованиям ГОСТ 13272-2009.

В пятой главе описана практическая реализация результатов исследований, а именно оптимальная микропроцессорная система управления стерилизационной установкой АВК-30М «МиСТ.Оптим», построенная на базе модулей "ОВЕН" (рис. 10). Для измерения параметров технологического процесса в системе управления предусмотрены датчики температуры (в стерилизационной камере, парогенераторе, экономайзере) и давления (в стерилизационной камере, парогенераторе, экономайзере). Управление установкой осуществляется программируемым логическим контроллером ПЛК-154 при помощи электромагнитных клапанов и ТЭН (посредством блока управления симисторами БУСТ).

Для оцифровки аналоговых сигналов датчиков используется модуль ввода аналоговый МВА-8 "ОВЕН" и аналоговые входы ПЛК-154 "ОВЕН". Для управления клапанами используется модуль дискретного ввода-вывода МДВВ "ОВЕН" и собственные дискретные выходы ПЛК-154. В состав комплекса МиСТ.Оптим интегрированы сенсорная панель оператора СП270 и архиватор ОВЕН МСД, что делает стерилизационную установку более удобной для оператора.

Описано программное обеспечение оптимальной системы управления, разработанное в SCADA-системе 3S CoDeSys версии 2.3 на языках стандарта МЭК 61131-3.

Рис 10. Структура аппаратного обеспечения, интегрированного в систему управления стерилизационной установкой АВК-30М (МИСт.Оптим) О высокой надежности системы управления говорит ее безотказное функционирование в течение трёх лет в лаборатории СТППГ кафедры ТПП МГТУ, в опытно-промышленных условиях эксплуатации.

Технико-экономическими расчетами новой разработки установлены ожидаемый годовой экономический эффект, равный 23674 руб. и срок окупаемости от внедрения предлагаемого способа стерилизации для промышленного автоклава СР-2К, составивший 1 год.

ВЫВОДЫ

Разработан и исследован модернизированный способ стерилизации, основанный на вычислении фактического стерилизующего эффекта и использовании его в качестве регулируемого параметра в системе автоматического управления процессом стерилизации.

Разработаны режимы стерилизации в водной среде консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress для автоклавов Askamat 230 и АВК-30М.

Получены аппроксимирующие математические модели стерилизационной камеры, консервов «Печень трески натуральная» при стерилизации в банке Impress в водной среде.

Научно обосновано и экспериментально подтверждено, что использование модернизированного способа стерилизации консервов позволяет уменьшить энергозатраты и сократить продолжительность стерилизации.

Спроектирована и реализована оптимальная система автоматического управления процессом стерилизации, реализующая модернизированный способ стерилизации.

Изготовлена и исследована на промышленную стерильность опытная партия консервов «Печень трески натуральная» в новой металлической банке Impress конической формы. Патогенной микрофлоры в готовой продукции не обнаружено.

Установлено, что консервы, изготовленные по модернизированному способу, не уступают по органолептическим показателям традиционно изготовленным консервам.

8. Разработана техническая документация на изготовление и стерилизацию в водной среде модернизированным способом консервов «Печень трески натуральная» в банке Impress.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Маслов А. А. Исследование динамики теплообмена в стерилизационной камере автоклава / А. А. Маслов, А. В. Власов, А. В. Кайченов, // Рыб.

хоз-во. – 2009. – № 6. – C. 77–79.

Совершенствование способа стерилизации консервов из гидробионтов / А. В. Кайченов, В. А. Гроховский, А. А. Маслов, и др. // Рыб. хоз-во. – 2011. – №3. – C.112–113.

В прочих изданиях.

Власов А.В. Оптимизация процесса стерилизации паром в автоклавах периодического действия / А. В. Власов, А. В. Кайченов ; Мурм. гос.

техн. ун-т. – Мурманск, 2008. – 6 с., ил. – Библиогр.: 3 назв. – Деп. в ВИНИТИ 10.11.2008, № 867-В2008.

Власов, А. В. Пути повышения эффективности процесса стерилизации в автоклавах периодического действия / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А.

А. Маслов // Наука и образование – 2009 [Электронный ресурс] : междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 1–9 апреля 2009 г. / МГТУ. – Электрон. текст. дан.

(181 Мб). – Мурманск : МГТУ, 2009. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – C.

373–376. – Гос. рег. НТЦ "Информрегистр" № 0320900170 от 25.05.09.

Власов, А. В. Разработка системы контроля и управления процессом стерилизации консервов в автоклавах периодического действия / А. В.

Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов // Молодежь и современные информационные технологии : сб. тр. VII Всерос. науч.-практ. конф. студ., аспирантов и молодых ученых / ТПУ. – Томск, 2009. – C. 42–43.

Гроховский, В.А. Исследование теплообмена в консервной банке конической формы / А. В. Кайченов, В. А. Гроховский // Наукові здобутки молоді у вирішенні актуальних проблем виробництва та переробки сировини, стандартизації і безпеки продовольства з б і р н и к т е з. д о п о в і д е й за підсумками Міжнар. науково-практ. конф. молодих вчених, аспiрантів і студентів / НУБіП України. – Київ, 2011, - С. 214-216.

7. Гроховский, В.А. Модернизированный способ стерилизации консервной продукции / А. В. Кайченов, В. А. Гроховский, А.А. Маслов // Наука и образование - 2011[Электронный ресурс] : междунар. науч.-техн. конф., Мурманск, 4–8 апреля 2011 г. / МГТУ. – Электрон. текст. дан. (43 Мб). – Мурманск :

МГТУ, 2011.-(НТЦ "Информрегистр". - № гос. регистрации 0321100504.- С.

870-874.

Получение математической модели температурного поля в стерилизационной камере автоклава на основании результатов активного эксперимента / Ю. Т. Глазунов, А. М. Ершов, А. В. Кайченов и др. // Техника и технологии переработки гидробионтов и сельскохозяйственного сырья :

материалы междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти проф. Н. Н. Рулева, Мурманск, 24–25 апреля 2008 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2008. – C. 18–21.

Совершенствование стерилизационной установки на базе модернизированного медицинского стерилизатора ВК-30 / А. В. Власов, А. Р. Власова, А. В. Кайченов и др. // Вестник МГТУ : труды Мурман. гос. техн. ун-та.

– Мурманск, 2009. – Т. 12, № 2. – C. 263–268.

10. Стерилизационная установка : пат. 94418 Рос. Федерация : МПК A 23 L 3/00, A 23 L 3/10 / А. В. Власов, А. В. Кайченов, А. А. Маслов ; патентообладатель ФГОУ ВПО Мурманский гос. техн. ун-т. – № 2010105537/22 ;

заявл. 16.02.2010 ; опубл. 27.05.2010. – С.1-2.

11. MISt.Reader_OWEN. (МИСт.Преобразование отчетов ОВЕН) :

свид-во об офиц. рег. прог. для ЭВМ 2008614098 Рос. Федерация / Власов А.

В., Кайченов А. В., Маслов А. А. ; правообладатель ФГОУ ВПО Мурманский гос. техн. ун-т. – № 2008612909 ; поступ. 27.06.2008 ; зарег. 27.08.2008.