Информационная технология управления процессом тепловой обработки мясопродуктов Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

1Т ТЕХНОЛОГИИ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

= ТЕМА НОМЕРА

УДК 681.3

Информационная технология управления

процессом тепловой обработки мясопродуктов

Ключевые слова: мясные изделия; мясопродукты; тепловая обработка; информационная технология управления.

Г.В. Семенов, д-р техн. наук, М.А. Беляева, канд. техн. наук, доц. Московский государственный университет прикладной биотехнологии

Изменение социально-политического устройства России и других стран СНГ вызвало реформирование рыночных хозяйственных отношений и развития предпринимательской активности населения, особенно в производстве продуктов питания, при этом стихийно развивается широкая сеть мелких предприятий по кулинарной обработке продуктов с использованием мясного сырья. Эти мясные изделия часто отличаются низким качеством технологии приготовления, антисанитарией, что серьезно подрывает отношение населения к таким точкам питания и дискредитирует их как вид предпринимательской деятельности. Попытки государственного контроля над их деятельностью неэффективны из-за отсутствия системных требований к сертификации, а также научно-практических регламентов по технологии производства продуктов высокого качества и соответствующего аппаратного оформления. Можно утверждать, что рынок «фастфуда» имеет хорошие перспективы и значительный потенциал роста, его объем только в Москве сегодня превышает 40 млн долл. США в месяц (более 480 млн долл. США в год).

Один из основных способов производства мясных изделий - термическая обработка сырья животного происхождения в различных композициях с растительными и минеральными компонентами путем теплового воздействия в различных греющих средах и условиях теплоподвода (варка, обжарка и т.п.). С 50-х годов прошлого века интенсивно разрабатываются электрофизические методы тепловой обработки пищевых продуктов с использованием различных энергетических полей. В технологии производства продуктов питания эффективно используются микроволновые печи камерного типа с режимами СВЧ-на-грева, комбинированные с СВЧ-и последующей ИК-обработкой, режимы «Гриль», при которых продукты подвергают воздействию инфракрасного облучения.

Э Го д2(Х,Го)

= (1 + Е Ко Рп 1м)-

_ Г_ дТ(Х,Го)

дХ2 ди

- е Ко Ьк ■

д2Ц(Х,Го) Г_ дЦ(Х,Го) дХ2 + .V' дХ

(1)

Го = -

Я2

критерий Фурье;

Ко -

гАи _ гстА<2

сё А1 Коссовича;

сёА1

Рп =

5АГ а'тр0АТ

В связи с этим дальнейшее развитие таких электрофизических методов, как электротермия (ВЧ и СВЧ, инфракрасный нагрев, электростатическое поле, ультразвук, импульсная техника) для интенсификации процессов теплообмена и совершенствования аппаратов, в которых осуществляется тепловая обработка, по-прежнему социально значимо и актуально.

Разработана информационная технология управления процессом тепловой обработки мясопродуктов, с применением современных программных средств, позволяющих отслеживать и контролировать основные параметры процесса на основе оптимизации технологических регламентов с максимальным сохранением пищевой и биологической ценности.

Процесс тепловой обработки можно описать системой дифференциальных уравнений тепломассопереноса (1) для обобщенных переменных в критериальной форме при любых условиях: Э Т(Х,Го)

д и

Поснова;

р„а„, АС/

критерии

критерии Лыкова.

Тепловую обработку полуфабриката из говяжьей вырезки, нарезанной тонким куском, например таких, как мясные натуральные, продукт можно считать частью бесконечной пластины. В этом случае коэффициент Г=0 и дифференциальные уравнения (1) принимают вид: для переноса тепла дТ(Х, Го)

д Го = (1 + Б Ко Рп ¿и)

Л /1.\ ./•<■)

дХ

(2)

- еКО¿и

д2Ц(Х,Го) дХ2 ;

для переноса влаги

ди{Х,Го) , д2и(Х, Го)

-= ш--;--

Э Го дХ2

д2Т(Х,Го)

- 1иРп-

(3)

ЭА'2

при граничных условиях: для теплопереноса

дТ(\,Го)

дХ

- + А7, Го-

-(1-е) Ьи Ко К1т (Го) = 0 - для влагопереноса:

ди(ЬГо) + рп дТЦГо)

(4)

дХ

,

(/„-(7

где

А7„, =,

и-г

дх

массообменный

гдеТ = —- безразмерная координата ; т = (/?-/*)/Дг* ~ безразмерная температура; и = {Ь'* -I')/Аи* ~ безразмерное влагосодержание; е - критерий фазового перехода;

критерий Кирпичева; Кд - теплооб-менный критерий Кирпичева;

Г 1Г О _ £ ^ ''

ге-г Кот-- - критерий

Федорова.

Если считать изменение температуры и влаги одинаковым, то при Х=0

критерий

дт(о,го) _ ди(0,го)

дх

дх

= о

(5)

и начальных условиях:

IT TECHNOLOGIES IN FOOD INDUSTRY

Изменение массовых долей ингредиентов биологической ценности (фрагмент)

Аналитическое решение уравнений (2), (3) при условиях (4) - (6) представляется сложными выражениями с разложением в ряд с громоздкими коэффициентами и многостадийными вычислениями, что делают их практически неприемлемыми для вычисления тепловых и влажностных полей и определения оптимальных технологических режимов.

Для численного решения задачи необходимо знать параметры внутреннего переноса энергии и вещества, критерии внутреннего переноса тепла и влаги, суммарный критерий фазового перехода. Считая образец полубесконечным тонким стержнем, (0 <х <<х>) и (6< I) для одномерной задачи получить численное решение критериальных уравнений:

^х +ЕКож+щы>т

Э^о Э^2 дFo

Э U dFo

d2U д N2

+ Рп

д2Т

м1

Lu

(7)

где Ы- параметр толщины образца (безразмерная величина); Т- относительная безразмерная температура. Критериальные уравнения (7) приведены в параметрический вид:

dt е г dU ш

— = aV't +-.-+-

dx с dt р с

— = a„,V2U+am8V2t dx "'

(8)

Аминокислоты, г/100 г белка Математические описания

Треонин Ma = 0,48 - 0,09t - 0,001t2 i i

Серин Ma = 2,205 - 0,066t. + 0,001t2.. i j

Глутаминовая кислота Ma = -11,178 + 1,212t - 0,014t2 j' j

Жирные кислоты, %

Пальмитолеиновая Mq = 7,843 - 0,144 . + 0,002t2. j ' j

Гептадеценовая Mq = 1,974 - 0,107.. + 0,001t2. j ' j

Олеиновая Mq = 36,945 - 0,175 . + 0,005t2. i ' j

Линолевая Mq = 26,706 - 0,874 . + 0,01t2..

Гадолеиновая Mq = 2,307 - 0,069 + 0,001t2. j ' j

Эйкозендиеновая Mq = 1,184 - 0,058 + 0,001t2. ' ' il' il

Витамины, мг %

Рибофлавин (витамин В2) Mv = 2,076 + 0,00207t. - 0,005t2 ij ij

Тиамин (витамин В1) Mv = 0,515 - 0,0066t . - 0,003t2. ij ij

Пиридоксин (витамин В6) Mv = 0,791 - 0,0088t. - 0,00002t2. ij ij

(9)

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2; X - коэффициент теплопроводности, Вт/м; для массообмена

где t- температура продукта, °К; и - влагосодержание, %; т - время, сек; а, ат - коэффициенты температуропроводности и влагопроницаемости, м2/с; с - удельная теплоемкость продукта, Дж/кг-Т; е - критерий фазового перехода «жидкость-пар»; гп -удельная теплота парообразования, Дж/кг; р - плотность вещества продукта, кг/м3; ш -мощность объемного, равномерно распределенного источника тепла,Вт; 8 - коэффициент термодиффузии, кг/°К.

Таким образом без упрощений с заданной точностью можно исследовать процесс тепловой обработки мясопродуктов с помощью конечно-разностной имитационной модели тепломассооб-менного процесса в цилиндрических координатах [ 1 ].

Граничные условия на боковой и торцевой поверхностях продукта цилиндрической формы для симметричного нагрева записываются условиями третьего и второго рода, для одной четверти осевого сечения цилиндра в конечно-разностной форме: для теплообмена

,а„Л » , /,

,а,/' i N /,<*„

а„й

17

а „А

К

;

- + 1);/ = 1,и-1 (10),

где аи , \ц - коэффициенты влагоотдачи и влагопроводности.

Вместе с изменениями влажности и температуры нагрева продукта происходят массообменные процессы, связанные с изменениями массовых долей биологических компонентов: ами-но - и жирных кислот, витаминов, белковых и липидных фракций. В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии массовых долей компонентов пищевой и биологической ценности от температуры в виде степенных полиномов, фрагмент представлен в таблице.

Объединением уравнения тепломас-сопереноса с уравнениями регрессии получена обобщенная модель процесса тепловой обработки и разработаны на ее основе алгоритмы оптимизации по критериям минимизации потерь пищевой и биологической ценности продукта [1, 2, 3].

Разработан программный комплекс, модули компьютерной системы функционируют в средах Windows 95/NT/ 98/МЕ/2000/ХР/2003,2007, для вывода результатов вычислений на экран были использованы элементы MSFlexGrid c применением приложения Microsoft excel языка программирования VBA, графической среды LabVIEW, интерфейсы написаны в Delphi, основные процедуры - в Object Pascal [1,2,3]

Таким образом, информационные технологии оптимального проектирования процесса тепловой обработки мясопродуктов позволяют автоматизировать и визуализировать процесс, проводить процесс в заданном технологическом интервале нагрева и получать продукты требуемого качества.

ЛИТЕРАТУРА

1. Беляева М.А. Моделирование и оптимизация управления качеством мясных изделий в процессе тепловой обработки. - М.: ООО «Франтера», 2006.

2. Беляева М.А. Интеллектуальные системы моделирования и оптимизации тепловых процессов/Труды III международной научно-технической конференции AIS'07 CAD-2007, т. 3. -М.: Физматлит, 2007, с. 9 - 20.

3. Беляева М.А., Ивашкин Ю.А., Лукьянов А. Моделирование тепломассо-обменных процессов в прикладной биотехнологии/Материалы Третьей Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2008». М. - Тамбов, 2008, с. 113-118.