XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Одним из эффективных способов продления срока хранения жидких пищевых продуктов является пастеризация. Пастеризация была улучшена Луи Пастером в 1864 году как метод борьбы с болезнями вина путем прогрева напитков при температуре от 50 до 60 градусов [1].

Процесс пастеризации напитка принимается разделять на три основных типа [1]:

1. Горячий розлив

2. Кратковременный нагрев перед розливом

3. Полная пастеризация в туннельном пастеризаторе

Невозможно уничтожить все микроорганизмы путем пастеризации даже при высоких температурах (ниже кипения), при этом необходимо соблюдать баланс между уничтожением вредных микроорганизмов и сохранением остальных, определяющих вкусовые и полезные свойства продукта.

Таким образом, при помощи системы максимально быстрого мягкого и плавного режима работы для всех полезных напитков.

В процессе пастеризации используется два важных ресурса - вода и энергия, бережное использование которых было и используется известное применение современного производства. Использование энерго и ресурсосберегающего производства на сегодняшний день является не только экономическим вопросом.

Материал и методы исследования

Повысить биологическую стойкость, возможно при условии освобождения напитка от дрожжей и других микроорганизмов путем различных способов фильтрации, или их деятельность должна быть ограничена, чтобы при хранении качества напитка сохранялось.

Для продления биологической стойкости применяют [2]: пастеризацию разлитого напитка в упаковке;

проточную пастеризацию и розлив в асептических условиях;

горячий розлив напитка в упаковку;

освобождение напитка от микроорганизмов обеспложивающей фильтрации и розливом в асептических условиях.

Пастеризация пищевых напитков, таких как пиво, в упаковке, является самым распространенным способом более продолжительного хранения.

Формула расчёта [2]:

где: t– время в минутах; T– температура в градусах Цельсия; 1.389 – расчётная константа для пива (для других видов напитка может отличаться).

(3) Первый шаг - нагрев продукта

Второй шаг - нагрев и пастеризация

Третий шаг – охлаждение

Рассмотрим пример из реальной жизни.

По транспортным конвейерам продукция (напитки в жестяных банках) доставляются ко входу пастеризатора. Средняя температура банок составляет 4 градуса Цельсия. При этом рассчитанная лабораторией необходимая температура пастеризации составляет 70 градусов. Таким образом, необходимо плавно нагреть продукцию до заданных пределов. Плюс ко всему, резкий перепад температур недопустимый ряд проблем, таки, например, как взрыв банки. Следующим шагом будет плавное охлаждение напитка до средней температуры 30 градусов Цельсия. [3] Зачем - рассмотрим ниже.

Рис. 1. Последовательное расположение температурных зон пастеризатора

Результаты исследования и их обсуждение

Процесс охлаждения продукции перед выходом из пастеризатора важен из экономических соображений. Это позволяет многократно снизить потребление электроэнергии на нагрев машины, а также снизить расход воды.

Рис. 2. Трубные соединения передачи воды и тепла

В момент нахождения вошедшей банки в пастеризаторной степени постепенно повышается за счет контакта с теплой водой, прыскающей из форсунок внутри конкретной секции. Стекающая вода попадает в специальный танк, где накапливается для дальнейшего применения. Температуры этой воды порядка 20 градусов. Следующим шагом через специальную систему труб и насосов эта вода направляет в секцию крайнего предохлаждения продукции. Главный контроллер системы автоматически регулирует этот поток воды с горячей водой, необходимой для работы выходной температуры. [3]

Аналогичным образом образующаяся в нижнем танкере предпоследней зоны охлаждения вода, будучи теплее за счёт контакта с теплой банкой, направляется в первую зону преднагрева, смешивается в зависимости от условий с теплой водой. Температура составляет порядка 30 градусов. Данный цикл работает постоянно в момент функционирования машины. [3]

Точно также, в зависимости от конфигурации оборудования, а также фирмы-производителя, формируются температурные обмены между другими секциями охлаждения и нагрева продукции.

При этом нужно понимать, что две основных зоны машины работают иначе, не имея системы регенерации с другими секциями.

Зона пастеризации имеет свой замкнутый контур горячей воды, проходящий напрямую через теплообменники, которые, в свою очередь, нагреваются за счёт проходящего по ним пара.

Рис. 3. Рекуперация тепла между зоной пастеризации и теплообменником

Зона охлаждения также имеет свой собственный замкнутый контур холодной воды. Для сохранения температуры в заданных границах забираемая из сборочного танкера вода проходит через внешнюю станцию охлаждения.

Расчёт необходимой температуры на нагрев 1 тонны воды на 1 градус Цельсия.

Формула расчёта количества необходимой энергии для нагревания 1 литра воды на 1 градус Цельсия [4]:

, где:

C - удельная теплоёмкость, т.е. энергия, необходимая для нагрева вещества на 1 градус. Для воды при нормальном давлении (101.325 кПа) это 4200 джоулей.

m - масса, 1 литр воды при обычных условиях имеет массу 1 кг.

Получить точную информацию о расходе воды в каждой секции пастеризатора не является возможным в связи с конфиденциальностью данных расчётов. Поэтому возьмём приблизительные цифры и на их примере рассчитаем экономию энергии благодаря применению технологии регенерации температуры.

Пусть холодная вода в трубах имеет температуру 10 градусов Цельсия.

За 1 минуту работы через форсунки пропускается 250 литров воды на секции №1. Таким образом, рассчитаем количество затраченной энергии [5]:

, где:

- верхняя температура нагрева.

- начальная температура.

Получаем:

За 1 час потребуется энергии:

Расчёт количества энергии, необходимой для нагрева воды до нужной температуры при применении регенерации температуры с соотношением приходящей вторичной воды с уже необходимой температурой 80% и добавленной свежей воды 20%:

, где:

Получаем:

За 1 час потребуется энергии:

Таким образом, получаем сокращение затрат энергии на нагрев воды в 5 раз.

Остальные секции имеют схожую корреляцию, отличающуюся по таким показателям, как соотношение смешиваемых регенерационных и свежих вод, начальная температура этих вод и требуемая в конкретной секции.

Посчитаем примерную экономию воды при данных параметрах.

Расход без регенерации воды:

Расход с регенерацией воды:

Итого: экономия 12 тонн воды в час за счёт применения регенерации воды.

Подсчитывать в данном случае общую экономию энергии и воды не имеет смысла в связи с тем, что вариаций машин множество, каждая имеет разное количество секций, их длину, количество этажей и т.д.

Выводы и заключение

Таким образом, можно с полной уверенностью заявить, что современные пастеризаторы относятся энергоэффективным технологиям автоматизации. Применяя технологии рециркуляции воды внутри системы, данные машины эффективно передают тепло между секциями, что помогает резко многократно сократить потребление энергии. Помимо этого, контроль расхода воды также является огромным преимуществом пастеризаторов. В современных условиях особого внимания к экологии и окружающей среде пастеризаторы используются максимально эффективно и безопасно для природы.

Список литературы

Симпсон Р. Инженерные аспекты термической обработки продуктов, 2019, 354 с.

Панфилов В. А., Машины и аппараты для пищевых производств, 2007, 352 с.

Главчек Ф., Лотский А. Пивоварение,1977, 215 с.

Кунзе В., Технология пивоварения и соложения, 2014, 67 с.

Карел М., Лунд Д. Физические принципы подготовки пищи, 2013, 470 с.

Код для цитирования: Скопировать