Анализ и расчет высокотемпературной стерилизации фруктовых и овощных соков в потоке Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

664.8.36.А

АНАЛИЗ И РАСЧЕТ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СТЕРИЛИЗАЦИИ ФРУКТОВЫХ И ОВОЩНЫХ СОКОВ В ПОТОКЕ

Н.П. РЯБЧЕНКО, Е.А. КОНСТАНТИНОВА,

B.C. ФУНИКОВА

Кубанский государственный технологический университет

В асептическом методе консервирования плодоовощных и фруктовых соков для замедления процессов, обусловливающих ухудшение качества стерилизованной продукции, тепловую обработку проводят в потоке при возможно более высоких температурах в течение очень короткого промежутка времени [1-3]. Такую технологию принято называть высокотемпературной стерилизацией. В условиях производства ее реализуют с использованием теплообменного оборудования в виде многоходовых кожухотрубчатых, элементных, спиральных, с очищаемой поверхностью и других теплообменников [3].

Объектом асептического консервирования являются различные соки, фруктовые и овощные пюре, нарезанные кусочками фрукты с размерами частиц до 12 мм.

В настоящее время, несмотря на серьезные исследования в этой области [1, 2], не разработана методика расчета, основанная на теоретических предпосылках процесса, использовании математической модели и учете конструктивных особенностей применяемого оборудования.

В расчетах стерилизации необходимо найти такие параметры процесса и соответствующие им размеры аппаратов, при которых фактическое летальное воздействие нагрева F было бы адекватно требуемой летальности Frp или превышало ее (F>FT?)• В качестве меры летальности обычно принимают отношение числа выживших после нагрева клеток микроорганизмов NK к их числу до нагрева N0, при этом обычно учитываются клетки тех видов микроорганизмов, которые должны быть инактивированы. К ним относятся наиболее термостойкие виды и штаммы из числа потенциально опасных для здоровья человека и вызывающих порчу данного продукта.

Чтобы определить продолжительность г и температуру Т реального термического воздействия, обеспечивающего указанный уровень инактивации, необходимо знать закономерности отмирания микроорганизмов в зависимости от данных факторов.

Скорость отмирания микроорганизмов при постоянной температуре Т соответствует кинетике мономолекулярной реакции (первого порядка)

dt

(1)

где

dN

—------скорость отмирания микро-

Ufr

организмов;

N — количество микроорганизмов в данный момент стерилизации; г — продолжительность воздействия, с;

К

константа скорости реакции отми-

рания микроорганизмов, с После интегрирования уравнения (1) получим

N т [st = !.KdT-

(2)

Для определения константы К можно использовать эмпирическое уравнение Аррениуса, отражающее физическую сущность реакции разрушения микроорганизмов:

(3)

где

Д, — множитель, учитывающий энтропию активации;

Е — энергия активации;

Я — газовая постоянная.

Константа скорости К для данной реакции зависит только от температуры, причем с ростом последней она увеличивается, а следовательно, увеличивается и скорость реакции. Это объясняется ростом средней кинетической энергии молекул и одновременно возрастанием доли молекул, обладающих энергией выше определенного уровня, т.е. активных молекул, способных к реакции.

Представляет интерес связать классическую теорию химических реакций с теми подходами и способами расчетов, которые приняты в консервной промышленности.

В реакциях инактивации микроорганизмов константа скорости реакции К находится в прямой зависимости от агрессивности среды, в которой необходимо уничтожить микроорганизмы, степени устойчивости данного вида микроорганизмов к температурному фактору и от температуры стерилизации. При Т - соп.^ после интегрирования и некоторых преобразований уравнения (2) получа-

ем

lg

N..

Кс_

2,3

= К'т =

х_

D

(4)

где О - 1 / К'.

В полулогарифмической системе координат N — г) уравнение (4) выражается прямолинейной зависимостью, а величина, обратная £>, является тангенсом угла наклона этой прямой.

Величину О называют константой термоустойчивости, это время, требуемое для снижения количества микроорганизмов в 10 раз. Зависимость константы £> от температуры в полулогарифмической системе координат щ О - Т выражается прямой линией и описывается уравнением [1,2]

т

.8.36.А

змов в ри;

твия, с;

и отми-і

шучим

(2)

:пользо-

зтража-

ушения

(3)

энтро-

[и завитом по-50, уверяется текул и облада-ня, т.е.

кую темами и онсерв-

ов кон-прямой шторой тепени змов к : стери-ания и млуча-

(4)

рдинат яичей-\ явля-

эустой-шя ко-имость фмиче-жается [1,2]

lg

D_

D,

Т. - Т

или

D_

Ж

= 10~г

(5)

г» - т.

D = D-10“

К =

или

м

£>

К’

т.

= D3-10“

- т„

10"

Для удобства сравнения выразим константу К в виде ;

К

^3

D.

ехр (-

2,37 - Г

;)

(6)

F = / KPdt = / 10"

dt

(7)

где

F

стерилизующий эффект или летальность отрезка времени г, т.е. . продолжительность некоторого воображаемого стационарного режима тепловой обработки при Т3 = = 121, ГС, эквивалентного по действию на микроорганизмы данному режиму стерилизации, проводимому в переменном температурном поле.

Отсюда следует, что величина КР в уравнении (7) является переводным коэффициентом, позволяющим пересчитать данное время действия на микроорганизмы при любой температуре Гд на эквивалентное по действию на 121,1-градусное время Р. Сравнение коэффициента КР и константы К показывает, что это пропорциональные величины (уравнение (6)), отличающиеся численным значением.

Сопоставление тактической летальности ^ с требуемой Рп дает возможность сделать заключение об эффективности проводимого процесса. Требуемую летальность ^ находят из уравнения (4), приняв т = Ятр:

FT? = DJg^ = D,n,

(8)

где й — константа термоустойчивости при эталонной температуре Т3, зависящая от агрессивности среды и вида микроорганизмов: для большинства известных продуктов значение приводится в литературе при 7Э = 121, ГС (250Т) [2]; г — повышение температуры, при котором значение В уменьшится в 10 раз; Т — текущая температура продукта, С.

Сравнивая зависимость (6) с формулой Аррениуса (3), следует отметить, что закономерность роста значения К с увеличением температуры Тд сохраняется. Данные по константам К, рассчитанным по формуле (3), приведенные в литературе [1], позволяют провести не только качественное, но и количественное сравнение. Так, при возрастании температуры Гдна 10°С (от 100 до 110°С) константа К увеличивается в 9,5 раза, расчет по формуле (6) при тех же условиях показывает рост константы К в 9,9 раза, т.е. получаются сопоставимые результаты при отличающихся численных значениях К.

В консервной промышленности для расчета процесса стерилизации и определения фактической летальности используется другая формула:

где п — степень стерильности.

Значение требуемой летальности для различных продуктов приводится в справочных таблицах [ 1 -3], причем обычно указывается значение эталонной температуры и константы Z, например, ,.

Следует отметить, что нельзя говорить о полной стерильности и о смертельном времени в абсолютном понимании, т.е. как об уничтожении всех микроорганизмов. Обычно имеется в виду достижение определенной степени стерильности — доведения первоначального количества микроорганизмов до какого-то, заранее установленного, достаточно низкого уровня. При расчете значений учитывают вид микроорганизмов, агрессивность среды (pH) и др., однако учесть все факторы практически невозможно, поэтому приведенные в литературе данные не являются абсолютными и имеют ту или иную степень точности.

Процесс непрерывной стерилизации жидких продуктов в потоке состоит из трех основных стадий тепловой обработки: нагрева продукта до температуры стерилизации, выдержки или собственно стерилизации при постоянной температуре, охлаждения до температуры расфасовки. Необходимое время пребывания продукта в каждой стадии зависит от температуры, причем с ростом последней время уменьшается по экспоненциальному закону. Оказывает также влияние и конструктивный тип подогревателя и охладителя и их размеры.

При ламинарном течении продукта в трубах необходимо также учитывать неравномерность прогрева его центральных и периферийных слоев, так как у центральных фактическая скорость больше, чем средняя по сечению, у периферийных наоборот, т.е. следует учитывать профиль скоростей. При турбулентном режиме возникает более эффективное перемешивание продукта и профиль скоростей сглаживается, что приводит к меньшему различию во времени прохождения стерилизатора отдельными слоями жидкости.

В качестве примера рассмотрим установку для стерилизации при асептическом консервировании томатного сока, используемую в производстве [4]. Она включает кожухотрубчатый подогреватель, выдерживатель и кожухотрубчатый охладитель, соединенные последовательно по продукту. Сок подается высоконапорным насосом под давлением 0,4-0,45 МПа и прокачивается через трубное пространство теплообменника, где нагревается до 120°С. Греющим теплоносителем является водяной насыщенный пар с давлением не менее 0,3 МПа. Затем сок поступает в выдерживатель с постоянной температурой, представляющий собой хорошо изолированную трубу диаметром 120 мм. Далее сок охлаждается в охладителе до температуры 98-100°С за счет воды, подаваемой в межтрубное пространство.

Выполненный по общепринятой методике тепловой расчет [5] при производительности по томатному соку 5000 кг/ч позволил получить значения коэффициентов теплопередачи К,‘поверхности нагрева Р и других необходимых величин, при этом размеры аппаратов подбирались так, чтобы обеспечить турбулентное движение продукта. Для нахож-

дения фактической летальности нагревателя и охладителя по уравнению (7) необходимо выразить температуру продукта Гд как функцию времени г. Время г пребывания жидкости в трубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника при непрерывном потоке можно найти как отношение общего объема трубного пространства Уо6щ к секундному объемному расходу жидкости Усек:

г =

общ

VI’

тогда г

Wtl„

jtdwn'

(9)

где

с?БН — внутренний диаметр труб, м; w — скорость движения потока, м/с; я0 — число труб в одном ходу; если аппарат одноходовой по жидкости, то по = "общ “ общему числу труб в пучке.

Из уравнения (9) можно выразить поверхность F через время т:

F=ndmwn0z.

Для определения текущей температуры продукта Т следует записать уравнение:

GcdTK = KdF(ts - Гд), (10)

где G — расход сока, кг/с;

с — удельная теплоемкость сока, Дж/(кг-К); t, — температура конденсации греющего пара, °С.

После интегрирования уравнения (10) в пределах от 0 до F и от ТЕ до Ту и некоторых преобразований получим

7'д = ts ~ (f, - Ти)еА\

KndBBwn0

где А =----—-----— коэффициент, зависящий от

ис

конструктивных и режимных параметров.

Подставляя значение Гдв уравнение (7), найдем фактическую летальность продукта в нагревателе

-Дт

FB = Bfe~ce dt,

(11)

где В, с, В — численные коэффициенты при Гэ = 121, ГС и г = 10*С.

Полученный интеграл может быть решен методом подстановки. Его решение представляется в виде ряда Тейлора—Маклорена. Более просто с достаточной степенью точности этот интеграл может быть решен методом численного интегрщюва-ния (например, методом Эйлера) с помощью ЭВМ, что позволит получить результат гораздо быстрее.

Для охладителя расчет несколько усложняется, так как в процессе теплообмена меняются температуры обоих теплоносителей. Необходимо предварительно выразить текущую температуру охлаждающей воды ?2 из уравнения теплового баланса

С1сі(7’н “ Т) = 02с2(ґ2в: - ?2),

где б,, С2 — расходы сока и воды соответственно, кг/с;

с., с, — их удельные теплоемкости, Дж/(кг-К);

ТВ,Т ж — начальная и текущая температура продукта, °С; і2ж,і2 — конечная и текущая температура охлаждающей воды, °С.

Далее проводятся аналогичные преобразования, позволяющие получить уравнение для расчета фактической летальности продукта в охладителе в виде

Fo, = / el* ,

(12)

где с1,И1 — численные коэффициенты.

Решение интеграла аналогично.

Определив летальности и Рох и выбрав требуемую летальность из справочных данных [2], можно найти длину выдерживателя при данной производительности и диаметре трубы. Для рассматриваемой схемы получили: Рп = 15,5 с; Р = = 1,5 с; при = 70 и для выдерживателя = = 70 с - 15,5 с - 1,5 с = 53 с. Тогда для обеспечения требуемой летальности выдерживатель диаметром 120 мм должен иметь длину 6,4 м.

ВЫВОДЫ

1. Анализ используемых в расчетах процесса стерилизации уравнений показал, что эмпирическое уравнение (7) для расчета фактической летальности несет определенную смысловую нагрузку, согласуясь в принципе с теорией скорости химических реакций.

2. Предложена методика расчета, позволяющая определить тактическую летальность в теплообменных аппаратах различных конструкций при использовании различных теплоносителей и параметров процесса, а также найти размеры выдержи-вателей для обеспечения требуемой летальности.

ЛИТЕРАТУРА

1.

2.

3.

Асептическое консервирование плодоовощных продуктов / В.И. Рогачев, О.Г. Фромзель и др. — М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. — 287 с.

Флауменбаум Б.Л., Танчев С. С., Гришин М.А. Основы консервирования пищевых продуктов. — М.: Агропромиз-дат, 1986. — 494 с.

Рогачев И.И., Бабарин В.П. Стерилизация в аппаратах непризывного действия. — М.: Пищевая пром-сть, 1978.

4. Дикие М.Я., Мальский А.Н. Технологическое оборудование консервных заводов. — М.: Пищевая пром-сть, 1973. — 424_с.

5. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. I. — М.: Химия, 1995. — 400 с.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 26.12.96