CC BY
9
УДК 532.12: 664.8.022
DOI 10.24412/2311 -6447-2023-1-188-196
Подача рабочей жидкости в камеру обработки пищевых продуктов высоким давлением
Supply of working fluid to the high-pressure food processing chamber
Профессор B.A. Наумов (ORCID 0000-0003-0560-5933), Калининградский государственный технический университет, кафедра техносферной безопасности и природообустройства, тел. +7 (4012) 99-53-37, Vladimir.naumov<f/:'klgtu.ru
заведующий кафедрой Н.Л. Великанов (ORCID 0000-0001-6833-74Í7), Калининградский государственный технический университет, кафедра судостроения, судоремонта и морской техники, тел. +7 (4012) 56-48-02, nikolaj.veHkanovfijklgtu.ru
профессор О.В. Шарков (ORCID 0000-0001-8578-1800) Калининградский госз'дарственный технический университет, кафедра теории механизмов и машин и деталей машин, тел. +7 (4012) 99-53-45, oleg.sharkov(ä;klgtu.ru
Professor V.A. Naumov, Kaliningrad State Technical University, chair of Technosphere Safety and Environmental Management, tel. +7 (4012) 99-53-37, [email protected]
Head of Department N.L. Velikanov, Kaliningrad State Technical University, chair of Shipbuilding, Ship Repair and Marine Engineering, tel. +7 (4012) 56-48-02, [email protected]
Professor O.V. Sharkov Kaliningrad State Technical University, chair of Theory of Mechanisms and machines and machine parts, tel. +7 (4012) 99-53-45, [email protected]
Аннотация. Цель работы - изучение и совершенствование функционирования установок высокого гидростатического давления при обработке пищевых продуктов. В основу физической модели положены ряд представлений о работе насосной установки. Сразу же после включения насос обеспечивает наибольший расход, что приводит на выходе к достижению необходимого давления. В дальнейшем расход уменьшается из-за возрастающего сопротивления среды, пока полностью не остановится при достижении наибольшего давления. При уменьшении давления в напорной линии поршни продолжат своё движение, компенсируя это снижение. Разработана математическая модель процесса. Проведены числовые расчеты, получены безразмерные зависимости давлений в рабочей камере, объемов пищевой жидкости, времени протекания процессов обработки пищевых продуктов высоким давлением. Полученные результаты позволят более точно контролировать параметры гидравлических систем при обработке продуктов питания.
Abstract. The purpose of the work is to study and improve the functioning of high hydrostatic pressure installations in food processing. The physical model is based on a number of ideas about the operation of a pumping unit. Immediately after switching on, the pump provides the highest flow rate, which leads to the achievement of the required pressure at the outlet. In the future, the flow rate decreases due to the increasing resistance of the medium, until it stops completely when the maximum pressure is reached. When the pressure in the pressure line decreases, the pistons will continue their movement, compensating for this decrease. A mathematical model of the process has been developed. Numerical calculations were carried out, dimensionless dependences of pressures in the working chamber, volumes of food liquid, time of food processing processes with high pressure were obtained. The results obtained will allow more precise control of the parameters of hydraulic systems during food processing.
Ключевые слова: рабочая жидкость, обработка пищевых продуктов, высокое давление, подача насоса
Keywords: working fluid, processing of food, high pressure, pump supply
B.A. Наумов, Н.Л. Великанов, O.B. Шарков, 2023
Обработка продуктов питания высоким гидростатическим давлением на сегодняшний день нашла свое широкое применение [1], опубликовано большое количество исследований по этой тематике [2-6].
Обработка ВГД может применяться в качестве альтернативной термической обработки молока для сохранения его естественных и первоначальных вкусовых качеств. Молоко обрабатывали прп 600 МПа в течение 10 мин или подвергали термической обработке при 125 °С в течение 4 с. Тест на приемку и предпочтение определял свойства молока, включая цвет, молочность, сливочный вкус и послевкусие. Молоко, обработанное ВГД, показало лучшие результаты, за исключением сливочного вкуса. Авторы предполагают разработку технологии обработки молока ВГД с целью улучшения указанного свойства.
Высокое гидростатическое давление (ВГД) - это нетермический метод стерилизации апельсинового сока. Однако знания об пзменении качества во время его хранения ограничены. Целью исследования [4] был всесторонний анализ изменений при хранении апельсинового сока ВГД с использованием. Было идентифицировано пятьдесят семь летучих и 49 нелетучих веществ.
Как технология нетермической обработки, углекислый газ высокого давления (НРСБ) является потенциальным методом снижения микробной нагрузки на продукты холодного хранения. В исследовании [5] изучалась микробиологическая инактивация низкотемпературного НРСО (ЬТ-НРСЭ) и оценивалось ее влияния на качество креветок при замораживании и хранении в замороженном виде. Показано, что ЬТ-НРСО может повысить микробиологическую безопасность замороженных креветок при сохранении их первоначального качества, и может стать потенциальным методом для пищевой промышленности по повышению микробиологической безопасности продуктов холодильной цепи.
Цель исследования - всестороннее изучение влияния пастеризации по сравнению с обработкой гидростатическим высоким давлением на белюи молока. Полученные результаты показали лучшее сохранение белкового профиля для ВГД. Наиболее часто используются инжекционным способ подачи жидкости [7].
На рис. 1 показана принципиальная схема промышленной установки ВГД.
\
— —
— — — —
Рис. 1. Схема установки ВГД: 1 -3 - насос высокого давления; 4 -с пищевым продуктом
емкость с рабочей жидкостью; 2 - вентили; высокопрочная рабочая камера; 5 - упаковка
Компании, выпускающие оборудование для обработки пищевых продуктов ВГД, как правило, приводят в документации только основные технические параметры своих установок. Например, в табл. 1 приведены параметры установок компании Hippo (Южная Корея).
Таблица 1
Технические параметры установок ВГД компании Hippo [8]
Установка Vo, дм3 А мм I, M N, кВт Vf, дм3 M, т
Hippo-20 20 160 1,0 30 12 8
Hippo-50 50 200 1,6 50 30 15
Hippo-100 100 300 1,42 100 65 25
Hippo-150 150 300 2,13 200 100 30
Hippo-350 350 380 3,09 300 230 65
Hippo-450 450 380 3,97 700 315 80
Hippo-550 550 380 4,42 700 380 100
Обозначения в табл. 1: Vo - объем рабочей камеры; D - внутренний диаметр; L - длина; n - потребляемая мощность насоса (номинальная); Vf - объем, предназначенный для упаковки с пищевым продуктом; М - масса установки. У всех установок из табл. 1 наибольшее давление в камере - 600 МПа. давление подаваемого сжатого воздуха Ро= 0,7 МПа, температура от 10 до 35 °С, время одного цикла от 7 до 10 ч (при том, что рекомендуемое время выдержки высокого давления - 3 мин).
Установки ВГД являются весьма дорогостоящими и затратными в эксплуатации, поэтому проблема их эффективного использования является весьма актуальной. Но, в отличие от исследования влияния ВГД на пищевые продукты, изучению и совершенствованию функционирования самих установок посвящено заметно меньше публикаций. В [7] с помощью пакета ANSIS выполнено моделирование изменения температуры в объеме рабочей камеры. Рассмотрено два варианта изменения давления по времени: линейное и с резким увеличением давления в конце цикла. Якобы, второй вариант основан на кривой подачи насоса высоко давления фирмы Хаскель. По рис. 2 нагрузочные кривые [9] зависят от величины сжатого воздуха Ро, подаваемого на первый поршень. Чем больше Ро, тем больше предельное давление Рм, до которого насос продолжает подавать воду в рабочую камеру. Так Рм =291,48 МПа при Р0=0,85 МПа, Рм =348,02 МПа при Ро» 1,03 МПа. При этом начальная массовая подача Go (при атмосферном давлении) увеличивается незначительно.
По рпс. 2 с увеличением давления в рабочей камере до некоторого значения Pi (например, Pi = 150 МПа при Ро= 0,85 МПа) подача насоса снижается линейно, а затем резко падает до нуля при достижении Рм- Введем безразмерное давление и подачу = Р/Рм, q = G/Go.
Зависимость подачи от давления может быть записана в безразмерной форме:
■Ар)
' + а> р, рл^р^ fi ;
Mp\ A -Z7-!-
(1)
Для всех значений Ро наилучшее согласие с экспериментальными данными получается при а 1 = 0,426 и многочлене пятой степени /2{р) . Далее для определенности будем рассматривать работу насоса при Ро = 0,85 МПа.
Для моделирования подачи воды в рабочую камеру необходима зависимость плотности воды от давления. Исследователи продолжают уточнять уравнение состояния воды при высоких и сверхвысоких давлениях (см., например, [10]). Здесь вместо довольно сложных зависимостей воспользуемся аппроксимацией экспериментальных данных из [11]-
Экспериментальные точки хорошо ложатся на параболу (рис. 3):
pb = ри,/ряЯ = ф(р) = 1 + bl(p-pA) + b2(p-pAf где р*а - плотность воды при 20 °С и атмосферном давлении Ра; foi =0,11044;
1>2= -0,0171; - эмпирические коэффициенты подобранные методом наименьших квадратов.
Динамика изменения массы воды в камере т*. описывается дифференциальным уравнением с начальным условием:
Причем изменяется не только масса воды в камере, но и ее объем 14- из-за того, что происходит сжатие упаковки с пищевым продуктом. Обозначим V = V?/ Уо, тогда объем воды в камере К- = Уо- V? = Уо(1- V).
Поэтому производная левой части (3) может быть представлена так
¿У/77., в! 1 .. N Т, ¿V
По формуле (2) найдем производную от плотности по времени:
(4)
— - Р., Аг -Р,оФ УР)(П ф^)=б1 + 2Ь2(р-рА)
(5)
Тогда из (3)—<5) следует:
р*л( (1 - - Ф {рЩ=О Ар)
(6)
12
С. г/с
9
л з
2/ / * /
/
О
50 100 150 200 250 300 Р. МПа
Рис. 2. Зависимость массовой подачи Рис. 3. Связь безразмерной плотности насоса Навке1-300 от давления в камере приводы и давления в камере при адиабатиче-различных значениях давления сжатого возду-ском процессе (при начальной температуре ха: 1 - 0,7 МПа; 2 - 0,85 МПа; 3-1,03 МПа. Точ-воды 20 °С). Точки - значения, полученные в ки - значения, согласно данным [9], сплошныеэксперименте, линия - значения по зависи-линии значения, полученные по формуле (1) мости (2)
Введем безразмерное время:
т = ?//г = ри<|Гп /О0
Подставляя (7) в (6) получим безразмерную форму первого дифференциального уравнения:
ах ах
(8)
Второе дифференциальное уравнение может быть получено из условия совместного деформирования. В данной статье воспользуемся простой моделью: коэффициент объемного сжатия упаковкп с пищевым продуктом прямо пропорционален соответствующему коэффициенту воды Такая модель может быть пригодна при обработке высоким давлением жидких пищевых продуктов (молока, соков).
Учтем, что
_~1 <1УР _ -1 с! у
^ уР ар \>Ри (1 р
р м / _ (9)
Заменяя в (9) Ду, приходим к дифференциальному уравнению:
*Х . (10)
Если безразмерный коэффициент /с>1, то при одинаковом увеличении давления уменьшение объема пищевой жидкости будет больше, чем воды (например, у этилового спирта к -1,6); при к <1 - меньше (например, у глицерпна к -0,45), прп к = 1 - как у воды.
У реальных пищевых продуктов компрессионные свойства намного сложнее, чем по модели, принятой в данной статье (см. [12, 13]). В отличие от ньютоновских жидкостей, давление распространяется в объеме продукта не мгновенно, а в течение определенного времени, зависящего от его свойств [14]. Применение простой модели объемной деформации в данной статье следует рассматривать в качестве первого шага в исследовании процессов в установках ВГД.
Выразим из (8), (10) производные и запишем начальные условия:
<лР_ Ар) с/у _ -ЬАр)
(}х (1 + у(*~1)Мр) (1 + 1<А-1))ф(р) р(о) = Ра = ^
(II)
где Уо = У?о/Уо - часть объема рабочей камеры, который занимала упаковка с жидким пищевым продуктом в начале процесса сжатия (при атмосферном давлении).
Задача Коши (11) была решена численным методом при различных значениях безразмерных параметров к и уо. Результаты расчетов представлены на рис. 4, 5.
а 6
Рис. 4. Динамика изменения безразмерного давления (а) и объема пищевой жидкости (б) при ио = 0,3 и различных значениях к: 1 - к =0,4; 2 - к =1,0; 3 - к =1,8
При больших значениях к (лучшей сжимаемости) упаковка с пищевой жидкостью может быть сжата до меньшего объема (рис. 4, б), но на это будет затрачено больше времени (рис. 4, а), значит, будет большим энергоемкость процесса. Если к> 1, то увеличение относительный объем упаковки с пищевым продуктом приводит к росту времени, необходимого для достижения требуемого давления (рис. 5, а). Если то с увеличением ио это время снижается. При /е=1 изменение ио не влияет на время процесса.
На рис. 5 в трех вариантах расчета компрессионные свойства пищевой жидкости одинаковы \к=1>8). Различается относительный объем упаковки с пищевым продуктом.
а б
Рис. 5. Динамика изменения безразмерного давления при к= 1,8 (а), к= 0,45 (б) и различных значениях ио: 1 - оо= 0,1; 2 - ио= 0,35; 3 - ио= 0,6
На рис. 6, 7 и в табл. 2 представлены результаты расчетов в размерной форме для рабочей камеры объемом Уо= 400 л.
Р.
МПа
250
200 150 100 50 0
Ч /
У \/ /
/ -ч
1
/
V,
ДМ' 195
190 185 180 175 170
\ /
N
2 X -
1 J у> V.
О
20
40
60 а
80
100 л мин
20
40
60 б
80
100 /. мин
Рис. 6. Динамика изменения давления (а) и объема пищевой жидкости (б) при Уо = 400 л, УРо= 200 л и различных значениях к: 1 - к =0,5; 2 - к =1,0; 3 - к =1,6
Пусть величина давления в камере, необходимая для обработки пищевого продукта Я2=250 МПа. Тогда по рпс. 6 и 7 можно определить время достижения указанного давления в рабочей камере (а, а затем, объем упаковки в этот момент УТз. По рис. 7 видно, что для хорошо сжимаемых жидкостей, чем больше объем упаковки, тем меньше время Для плохо сжимаемых это время увеличивается.
Полученные численным методом зависимости давления от времени позволяют найти полезную работу за время Ь от начала процесса до достижения заданного давления (Р2-250 МПа):
А = \р(,^)и, = \р(,Шс{1
(12)
Р. МПа
250
200 150 100
50 0
1 / У/
/
/
/
20
40 60 а
80 I. ми"
Р. МПа 250
200
150
100 50
0
1 ^
7
А 4 \з
у Р
/ 7
/
30
60
40
120 Л мин
б
Рис. 7. Динамика излгенения давления для двух значениях к: к =0,5 (а), к =1,6 (б) при Уо=400 л и различных значениях УЕо: 1 - УЕо= 100 л; 2 - УРо= 200 л; 3 - УЕо= 300 л
Таблица 2
Результаты расчетов
№ к VFo, дм3 t2, МИН VF2, дм3 А, МДж
1 0,5 200 50,1 192,3 2,795
2 1,0 200 66,3 184,8 3,694
3 1,6 200 84,9 176,3 4,713
4 0,5 100 58,2 96,1 3,245
5 0,5 200 50,1 192,3 2,795
6 0,5 300 42,0 288,4 2,346
7 1,6 100 75,6 88,1 4,204
8 1,6 200 84,9 176,3 4,713
9 1,6 300 94,2 264,4 5,222
Таким образом, разработана модель процесса подачи жидкости в установках ВГД с учетом нагрузочной характеристики насоса и компрессионных свойств жидких пищевых продуктов. Предложенные в работе математические модели и алгоритмы расчетов могут быть использованы при разработке технологических процессов обработки пищевых продуктов с использованием высокого давления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Катанаева Ю.А., Соколов С.А., Севаторов Н.Н. Современное состояние технологий с использованием высокого давления для обработки пищевых продуктов // Вестник Керченского государственного морского технологического университета. -2022. - № 3. - С. 143-161.
2. Волков А.Ю., Донскова Л.А., Коткова В.В. Использование высокого давления для решения проблемы загрязнения мясного сырья патогенными микроорганизмами // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. -2019.-No 11.-С. 92-96.
3. Lim S.H., Chin N.L., Sulaiman А., Тау С.Н., Wong Т.Н. Sensory analysis for cow milk product development using high pressure processing (HPP) in the dairy industry // Foods.-2022.-Vol. 11(9).- 1233. doi: 10.3390/foodsl 1091233.
4. Sun R., Xing R., Zhang J., Deng Т., Ge Y., Zhang W., Chen Y. Quality changes of HHP orange juice during storage: Metabolomic data integration analyses // Food Chemistry. - 2023. - Vol. 404. Part B. - 134612. doi: 10.1016/j.foodchem.2022.134612.
5. Lian Z., Yang D., Wang Y., Zhao L., Rao L., Liao X. Investigating the microbial inactivation effect of low temperature high pressure carbon dioxide and its application in frozen prawn (Penaeus vannamei) // Food Control. - 2023. - Vol. 145. - 109401. doi: 10.1016 / j .foodcont.2022.109401.
6. Zhang J., Duley J.A., Cowley D.M., Shaw P.N., Koorts P., Bansal N. Comparative proteomic analysis of donor human milk pasteurized by hydrostatic high-pressure // Food Chemistry. - 2023. - Vol. 403. - 134264. doi: 10.1016/j.foodchem.2022.134264.
7. Соколов C.A., Селезнева Ю.А., Афенченко Д.С. Моделпрование тепломассо-переноса в камерах высокого давления с инжекционным подводом рабочей среды // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2016. - № 1-4. -С. 103-109.
8. Hippo High Pressure Processing [Электронный ресурс], https://en.hpp.co.kr/ products/ (дата обращения: 04.11.2022).
9. ГидроПневмо Агрегат. Жидкостные насосы Haskel [Электронный ресурс]. URL: http: / /enerprom.com/catalog/hydrocomp-high/haskel/haskel-pumps/1-12/ series300/ (дата обращения: 04.11.2022).
10. Нигматулин Р.И., Волотнова Р.Х. Широкоднапазонное уравнение состояния воды и пара. Метод построенпя / / Теплофизика высокжх температур. - 2008. - Т. 46.-№ 2. -С. 206-218.
11. Gurtman G.A., Kirsch J.W., Hasting C.R. Analytical equation of state for water compressed to 300 Kbar // Journal of Applied Physics. - 1971. - Vol. 42. - No. 2. - pp. 851-857. doi.org/10.1063/1.1660103.
12. Косой В.Д., Виноградов Я.И., Малышев А.Д. Инженерная реология биотехнологических сред. - СПб: ГИОРД, 2005. - 684 с.
REFERENCES
1. Katanaeva Yu.A., Sokolov S.A., Senatorov N.N. Sovremennoe sostoyanie tekhnologiy s ispol'zovaniem vysokogo davleniya dlya obrabotki pishchevykh produktov [The current state of high-pressure technologies for food processing] Vestnik Kerchenskogo gosudarstvennogo morskogo tehnologicheskogo universiteta, 2022. No 3, pp. 143-161.
2. Volkov A.Yu., Donskova L.A., Kotkova V.V. Ispol'zovanie vysokogo davleniya dlya resheniya problemy zagryazneniya myasnogo syr'ya patogennymi mikroorganizmami [The use of high pressure to solve the problem of contamination of meat raw materials by pathogenic microorganisms] Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamental'nyh issledovanij, 2019, No 11, pp. 92-96.
3. Lim S.H., Chin N.L., Sulaiman A., Tay C.H., Wong Т.Н. Sensoiy analysis for cow milk product development using high pressure processing (HPP) in the dairy industry, Foods, 2022, Vol. 11(9), 1233. doi: 10.3390/foodsl 1091233.
4. Sun R., Xing R., Zhang J., Deng Т., Ge Y., Zhang W., Chen Y. Quality changes of HHP orange juice during storage: Metabolomic data integration analyses, Food Chemistry, 2023, Vol. 404. Part B, 134612. doi: 10.1016/j.foodchem.2022.134612.
5. Lian Z., Yang D., Wang Y., Zhao L., Rao L., Liao X. Investigating the microbial inactivation effect of low temperature high pressure carbon dioxide and its application in frozen prawn (Penaeus vannamei), Food Control, 2023, Vol. 145, 109401. doi: 10.1016/ j.foodcont.2022.109401.
6. Zhang J., Duley J.A., Cowley D.M., Shaw P.N., Koorts P., Bansal N. Comparative proteomic analysis of donor human milk pasteurized by hydrostatic high-pressure, Food Chemistry, 2023, Vol. 403, 134264. doi: 10.1016/j.foodchem.2022.134264.
7. Sokolov S.A., Selezneva Yu.A., Afenchenko D.S.Modelirovanie teplomassopereno-sa v kamerakh vysokogo davleniya s inzhektsionnym podvodom rabochey sredy [Modeling of heat and mass transfer in high-pressure chambers with induction supply of the working medium] Mezhdunarodnyy zhurnal gumanitarnykh i estestvennykh nauk, 2016, No 1-4, pp. 103-109.
8. Hippo High Pressure Processing [Electronic resource], https://en.hpp.co.kr/ products/ (date accessed: 04.11.2022).
9. HydroPneumo Unit. Haskel Liquid Pumps [Electronic resource]. URL: http:// enerprom .com / catalog/hydrocomp-high / haskel / haskel-pumps /1-12/ series300/ (date accessed: 04.11.2022).
10. Nigmatulin R.I., Bolotnova R.H.Shirokodiapazonnoe uravnenie sostoyaniya vody i para. Metod postroeniya [A wide-range equation of the state of water and steam. Construction method] Теплофизика высоких температур, 2008, Vol. 46, No 2, pp. 206-218.
11. Gurtman G.A., Kirsch J.W., Hasting C.R. Analytical equation of state for water compressed to 300 Kbar, Journal of Applied Physics, 1971, Vol. 42, No. 2, pp. 851-857. doi.org/10.1063/1.1660103.
12. Kosoy V.D., Vinogradov Ya.I., Malyshev A.D. Inzhenemaya reologiya biotekhno-logicheskikh sred [Engineering rheology of biotechnological media] St. Petersburg: GIORD, 2005, 684 p.
