CC BY
3
УДК 664.8:532.1 DOI 10.24412/2311-6447-2024-3-202-210
Разработка аппаратурно-технологической схемы установки для обработки жидких пищевых продуктов
высоким давлением
Development of an equipment and technological scheme of an installation for processing liquid food products
with high pressure
Ассистент А.С. Соколов (ORCID 0000-0002-0000-5624), Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-Барановского, кафедра сервиса и гостиничного дела, тел. 8(918)548-83-91 alexsokolov555@yandex. ru
директор В.Л. Дебелый, ООО «Завод Амплитуда», тел. 8(949)345-96-58 maneb_doneck@mail. ru
доцент А.А. Яшонков (ORCID 0000-0002-1431-679X) Керченский государственный морской технологический университет, кафедра машин и аппаратов пищевых производств, тел. 8(978)081-12-34 mapp7@mail. ru
Assistant A.S. Sokolov (ORCID 0000-0002-0000-5624), Donetsk National University of economics and trade named after Mikhail Tugan-Baranovsky, chair of service and hotel business, tel. 8(918)548-83-91 alexsokolov555@yandex. ru
Director V.L. Debelyy, LLC "Plant «Amplitude", tel. 8(949)345-96-58 maneb_doneck@mail. ru
Associate Professor A.A. Yashonkov (ORCID 0000-0002-1431-679X) Kerch State Marine Technological University, chair of Machines and Apparatuses for Food Production, tel. 8(978)081-12-34 mapp7@mail. ru
Аннотация. Разработали аппаратурно-технологическую схему установки для обработки жидких пищевых продуктов высоким гидростатическим давлением, а также наиболее ответственные ее элементы. Показали принципиальную возможность создать установку для обработки жидких пищевых продуктов в непрерывном цикле. При разработке аппаратурно-технологической схемы использовали трубчатые реакторы и специальные клапанные системы. Предложили конструктивные решения основных элементов установки: ключей управления высоким давлением и двухстороннего гидрозамка. Разработали циклограмму, обеспечивающую синхронную работу всех узлов и элементов установки. Данная ап-паратурно-технологическая схема имеет ряд преимуществ по сравнению с установками периодического действия за счёт снижения энергоёмкости производства жидких пищевых продуктов (соков, «тихих» безалкогольных напитков, соусов и пр.) и эксплуатационных затрат, что может обеспечить увеличение чистой прибыли производственных предприятий.
Abstract. The work is devoted to the creation of an equipment and technological scheme of an installation for processing liquid food products with high hydrostatic pressure and the constructive development of its most important elements. It is shown that it is possible in principle to create an installation for processing liquid food products in a continuous cycle. Tubular reactors and specially designed valve systems were used in the development of the hardware and technological scheme. Constructive solutions of the main elements of the proposed installation are proposed: high pressure control keys and a two-way hydraulic lock. A cyclo-gram has been developed to ensure the synchronous operation of all nodes and elements of the installation.
© А.С. Соколов, В.Л. Дебелый, А.А. Яшонков, 2024
This hardware and technological scheme has a number of significant advantages compared to batch installations by reducing the energy intensity of the production of liquid food products (juices, "quiet" soft drinks, sauces, etc.) and reducing operating costs, which can ensure an increase in the net profit of manufacturing enterprises.
Ключевые слова: аппаратурно-технологическая схема, высокое гидростатическое давление, жидкие пищевые продукты
Keywords: hardware and technological scheme, high hydrostatic pressure, liquid food products
Основным принципом известных технологий производства напитков и плодоовощных соков является уничтожение патогенных бактерий, а также микроорганизмов, которые могут вызвать порчу продукта. Данные технологии основываются на подавлении развития микроорганизмов действием разнообразных физико-химических факторов: высоких температур, ультрафильтрации, химических консервантов, повышения осмотического давления за счет сахара. При этом пищевые и органолеп-тические качества обрабатываемого продукта, как правило, ухудшаются в следствие разрушения ферментного и витаминного комплексов. В связи с этим в начале XXI в. получили стремительное развитие технологии, использующие более низкие температуры для достижения требуемой безопасности производимого продукта. Одной из таких технологий является технология использования высокого гидростатического давления (ВГД), которая оказалась очень эффективной в инактивации ферментов и микроорганизмов в пищевых продуктах. Одной из преференциальных особенностей этой технологии является деликатное воздействие на небольшие молекулы (такие как ароматизаторы и витамины), которые остаются нетронутыми и, следовательно, не изменяют существенно органолептические свойства. В основании эффекта обработки ВГД лежит принцип Ле-Шателье, согласно которому любое явление (фазовый переход, химическая реакционная способность, изменение молекулярной конфигурации), сопровождающиеся уменьшением объема усиливается давлением, а, согласно закону Паскаля, давление передается мгновенно и равномерно независимо от размера и геометрических параметров продукта. Эта однородность является одним из основных преимуществ обработки ВГД по сравнению с термической обработкой [1].
Как показали эксперименты, проведенные авторами [2-5], по обработке жидких продуктов ВГД, данный процесс не только позволяет увеличить срок их хранения и реализации, но и сохраняет, а в некоторых случаях увеличивает показатели, характеризующие пищевую ценность и органолептику конечного продукта. Давление - это термодинамическая переменная, присутствующая в биосфере. В природе гидростатическое давление повышается на 1 атм на каждые 10 м глубины воды. Таким образом, давление на дне Марианской впадины, в одном из самых глубоких мест на земле, достигает до 116 МПа. Однако ВГД при обработке пищевых продуктов используется в пределах 100-1000 МПа, что практически равно тому же уровню или даже в 10 раз выше, чем давление в самой глубокой точке моря. Поэтому для выработки и удержания столь высокого давления требуется специальное оборудование. Как писал академик Л.Ф. Верещагин в предисловии к монографии Бриджмена, «...если нужно получить давление выше 1 000 атм (100 МПа), экспериментатор большую часть своего труда и времени тратит на создание необходимой аппаратуры». Типичная система обработки ВГД состоит из камеры высокого давления и ее корпуса, системы генерирования давления, устройства регулирования температуры.
Цель исследования - разработка аппаратурно-технологической схемы установки для обработки жидких пищевых продуктов высоким гидростатическим давлением с конструктивной проработкой наиболее ответственных ее элементов. Главная часть установок ВГД - это камера высокого давления, которая во многих случаях
представлена в виде кованого монолитного цилиндрического сосуда, изготовленного из низколегированной стали с высоким пределом прочности на разрыв. Толщина стен цельнолитого сосуда определяет максимальное рабочее давление. В зависимости от внутреннего диаметра сосуда использование цельнолитых сосудов обычно ограничивается максимальным рабочим давлением 400-600 МПа. Если требуются более высокие величины давления, то используются конструкции сосудов в предварительно растянутом состоянии, например, многослойные камеры или обвитые проволокой. ВГД можно генерировать с помощью прямого или косвенного сжатия. В случае применения системы прямого сжатия поршневого типа рабочая среда в камере высокого давления подвергается воздействию давления под действием поршня с концом большого диаметра, который активируется насосом низкого давления. Метод косвенного сжатия предполагает использование усилителя высокого давления, накачивающего рабочую среду под давлением из резервуара в закрытую ва-куумированную камеру ВГД до установления необходимого давления. Для обработки пищевых продуктов используются оба процесса. Для обработки продуктов питания косвенным способом используются разные гибкие барьерные упаковки. Обычные упаковочные материалы, которые используются при обработке продуктов высоким давлением, - это этиленвинилалкоголь ^ОН) и поливинилалкоголь (PVOH). Жидкости, передающие давление, используются в камере для равномерного и немедленного распределения давления в пищевом образце. Некоторые из традиционно используемых жидкостей, передающих давление, - вода, растворы этиленгликоля, кремниевое масло, растворы бензоата натрия, инертные газы и касторовое масло. Продукты изолируются от внешних передающих давление жидкостей герметичными упаковками достаточно гибкими и выдерживающими компрессию, возникающую во время прессования. Рабочая среда под давлением и содержимое упаковки сжимаются примерно на 80-90 % от оригинального объема при давлении 400-800 МПа, но естественно, практически восстанавливают исходные объемы при сбросе давления.
Свойства упругости многих пищевых продуктов помогают им вернуть их оригинальную структуру и форму. Существуют три основных типа систем обработки пищевых продуктов ВГД: системы групповой обработки (традиционные), полунепрерывные и непрерывные системы. В системах групповой обработки могут обрабатываться жидкие и твёрдые продукты, но они должны быть предварительно упакованы. На поточных технологических линиях можно применять только жидкие продукты, перекачиваемые насосом (например, фруктовые соки). Продукт перекачивается в рабочую камеру под высоким давлением и подвергается обработке, используя свободно плавающий поршень, отделяющий продукт от рабочей среды под давлением. Для систем групповой обработки общее время продолжительности цикла - это сумма количества отдельных этапов: заполнение, закрытие, создание давления, удержание давления, сброс давления, открытие, выгрузка [6]. Для жидких продуктов возможна также непрерывная обработка, при которой используются трубчатые реакторы или специальные клапанные системы. В упакованном продукте, погруженном в сжатую жидкость, давление передается равномерно и немедленно по всему продукту. В таких условиях продукт изостатически сжимается, так как его внутреннее давление выравнивается к внешнему. Газообразная часть продукта практически исчезает полностью, тогда как жидкости и твердые тела остаются в пределах своего свойства сжатия.
Выполненные теоретические и экспериментальные исследования процесса обработки пива высоким давлением [2-5] позволили нам разработать аппаратурно-тех-нологическую схему для реализации данного процесса (рис. 1).
Рис. 1. Схема установки высокого давления: 1 - зона в контейнере высокого давления; 2 - балластная емкость; 3 - обойма; 4, 5 - массивные поршни; 6 - цилиндр; 7, 9 - поршневые группы; 8 - вспомогательный цилиндр; 10 - зона в камере высокого давления после дросселирования рабочей жидкости; 11 - емкость с рабочей жидкостью (Р -10 атм); 12 - объем с рабочей жидкостью после обработки давлением
Основными элементами данной установки являются: контейнер высокого давления, который условно представлен тремя элементами: 1 - зона в контейнере высокого давления (КВД) вблизи входа, в которой давление максимально, обозначена ВД+ , и через дроссель Д2 соединена с выходом из КВД, обозначена ВД-; 2 - балластная емкость; 3 - обойма, содержащая два массивных тела 4 и 5, каждое из которых несет на себе по два поршня, которые должны двигаться в противофазе, с тем чтобы исключить колебания корпуса обоймы. Цилиндр 6 содержит поршневую группу 7, способную перемещаться в цилиндре, занимая крайние положения I и II. Это основной цилиндр, рабочий объем поршней которого равен объему балластной емкости 2. Вспомогательный цилиндр 8 содержит поршневую группу 9, объем поршней которого равен удвоенному объему поршней в обойме 3; 11 - емкость, содержащая рабочую жидкость до обработки высоким давлением, давление исходное невелико (- 0,98 МПа), обозначена на схеме как НД+ ; 12 - объем, содержащий рабочую жидкость после обработки высоким давлением, обозначена как НД- (давление равно атмосферному). Схема содержит также ключи К1-К5, управляемые вентили, способные мгновенно включать и выключать потоки рабочей жидкости; дроссели Д1-Д3 исключают неконтролируемые колебания давления; обратные клапаны ОК1 -ОК6 направляют рабочие потоки в нужном направлении.
В цилиндрах 6 и 8, где обе жидкости находятся в тесном взаимодействии с общей поршневой группой, предусмотрена зона, в которой не должно быть никакой жидкости, то есть следы жидкостей на штоках не должны смешиваться вследствие движения поршней.
На трубопроводах указаны стрелки, где потоки имеют однозначное направление. На трубопроводах (их участках), где стрелки не проставлены, потоки могут двигаться в обоих направлениях. Работа системы заключается в следующем. В исходном состоянии давление в зоне ВД+ высокое, а в зоне ВД- - также высокое за исключением небольшой потери на дросселе Д2. Задача заключается в том, чтобы жидкость из емкости 11 перевести в емкость 12 через контейнер высокого давления, то есть жидкость должна пройти путь, представленный на рис 2.
205
НД
+
ВД
+
ВД
НД
Рис. 2. Последовательность движения жидкости в установке высокого давления
При замыкании ключа К1 (рис. 1.) через Д1 балластная емкость 2 заполняется жидкостью при высоком давлении, после чего ключ К1 размыкается. При замыкании ключа К2 поршни 4 и 5 движутся навстречу друг другу и вытесняют жидкость из центральной зоны через обратный клапан ОК2 в цилиндр 6, верхняя емкость которого заполнена жидкостью из НД+ (через обратный клапан ОК5), в результате чего в ней создается высокое давление (Ро, обозначено так для определенности, причем Ро ~ 300-700 МПа). Это высокое давление Ро может сохраняться над поршнем в цилиндре 6 неограниченно долго; реальное время выбирается в зависимости от производительности системы. Через интервал Аи замыкается ключ КЗ и начинает двигаться вверх поршневая группа в цилиндре 6. При этом жидкость из ВД- через ДЗ, КЗ поступает в пространство под нижним поршнем, давление ее также Ро. Поэтому перемещение поршней вверх не требует значительных затрат энергии. В результате, когда поршень займет положение II, вся жидкость из верхней части перейдет в емкость ВД+ через обратный клапан ОКЗ, а нижняя часть поршня будет заполнена жидкостью из емкости ВД- при давлении Ро. Такое перемещение занимает время &Ь2, что также влияет на производительность системы. После размыкается ключ К4. В результате этого расширяющаяся под поршнем в цилиндре 6 жидкость заполнит пространство под поршнем в цилиндре 8 и вытолкнет жидкость из верхней части цилиндра 8 в зону между поршнями 4 и 5, поршни вернутся в исходное положение и вытолкнут жидкость через обратный клапан ОК1 в балластную емкость 2. Возможные потери давления могут быть не только компенсированы, но и с превышением, если в момент раздвигания поршней включить магнитные катушки или гидравлические поршни (на схеме не показано). После этого емкость 2 возвращается в исходное состояние (давление Р > Ро), а новая порция жидкости из НД+ поступит через ОК6 в пространство над поршнем в цилиндре 8 и выталкивается из нижней части поршня в емкость НД-, для чего должны быть включены ключи К4 и К5. Поршень в цилиндре 6 также опускается вниз и выталкивает жидкость из объема под поршнем в цилиндре 7 в емкость НД-, при этом верхняя часть поршня заполнится жидкостью из емкости НД+ через обратный клапан ОК5. После чего система возвращается в исходное состояние.
Для реализации данной схемы были разработаны основные конструктивные элементы установки для обработки жидких продуктов ВГД. На рис. 3. представлено конструктивное решение ключей К1-К5. Работа ключей состоит в следующем: в корпусе 1 движутся поршни 2 (высокого давления) и 4 - низкого давления. В исходном состоянии пружина 3 отжимает поршень 4 в крайнее правое положение, и поршень 2 перекрывает седло так, что высокое давление не поступает в объем Ао. При подаче низкого давления (до ~ 20-30 МПа) в полость Б поршень 4 толкает поршень 2 и открывает поступление жидкости ВД в полость А и на выход ВД. При снятии давления НД поршень 2 снова поджимается к седлу, перекрывая поступления ВД на выход. На рис. 4. показано условное обозначение предлагаемого ключа.
Рис. 3. Конструктивная схема ключей К1-К5: 1 - корпус; 2 - поршень высокого давления; 3 - пружина; 4 - поршень низкого давления; А, Б - используемые рабочие объемы
Рис;. 4. Условное обозначение ключа
Обойма 3 на рис. 1 детально представлена на рис. 5, где введена схема гидравлического управления поршнями 4 и 5, которые под действием внешнего низкого давления могут не только компенсировать потери высокого давления, но и получить дополнительный прирост, что важно, если давление в системе не достигло рабочего значения и его нужно увеличить.
Схема на рис. 5 предусматривает электромагнитное управление. С учетом синхронизации срабатывания ключей К1-К5 при наличии гидролинии низкого давления (до 30 МПа) целесообразно всю систему управления строить на единой основе - гидравлическом управлении.
н ! -1
УоЬ 4Ш- : т
ЭМ1
и
Двухсторонний гидрозамок
Аккумулятор
Насос на 200 атм
Рис. 5. Электромагнитное управление гидрозамком: 1 - корпус; 2, 3 - поршни
207
Для обеспечения синхронной работы всех элементов системы, возможности проведения наладочных работ при запуске и техническом обслуживании обязательным элементом является разработка циклограммы, содержащей эпюры параметров системы в различных точках в зависимости от времени. Чтобы представить эпюры давлений и смещений поршней, а также их связь с положением ключей, введем условные обозначения, приведенные на рис. 6. Например, 6А, 6Б означают объемы верхний и нижний в цилиндре 6.
\ ■ - - / /
ЗБ / окг
ОК5 О О ОК6
Рис. 6. Введенные условные обозначения
На рис. 7. приведены эпюры параметров системы в различных точках в зависимости от времени. Это давление и объем, причем в относительных единицах, типа (Р/Ро), (V/ УО), где Ро, УО - характерная величина давления (объема).
1А 2А ЗА ЗБ ЗВ 4А 4Б 5А 5Б 6А вБ 8А ВБ 10А 11А 12А
-1-\-
П п /П
п а \и
а я /П
\ г-^ \
ОК1 —' \ I
ОК2 I \
окз \ I
ОК4 Л п п
ОКБ I I I
оке п п
К1 п Р
К2 гп п
КЗ
У/////////////Л У/////////////Л
К4
К5 I I
Т (сек,)
Рис. 7. Эпюры параметров системы в различных точках от времени
208
Для обратных клапанов приводится разность относительных давлений; для ключей К1-К5 отмечены просто моменты включения и выключения.
Работа системы происходит следующим образом: первоначально в объеме А1 (это объем основной камеры высокого давления) имеется некоторое высокое давление (100-300 МПа), а рабочее давление должно быть 500 МПа. Далее рассмотрим все процессы, происходящие за один цикл (один период) системы. В результате каждого цикла давление будет несколько повышаться, так что после завершения периода давление выйдет на заданное рабочее, и работа будет заключаться в том, что исходный продукт из объема 11А (где давление исходное Ро ~ 0,981 МПа) будет переведен в объем 1А, где высокое давление (500 МПа). Далее этот продукт будет транспортирован по трубопроводу с дросселем Д2 пока не попадет в выходной объем 10А, в котором практически то же высокое давление, ~ 500 МПа с минусом, и где в результате процессов перетекания давление будет понижено до давления ~ 0,098 Мпа, и готовый продукт поступит в накопительную емкость 12А.
В процессе работы первым срабатывает ключ К1, и через регулируемый дроссель Д1 емкость 2А заполняется рабочей жидкостью (РЖ) до давления Р. Если дроссель открыт слабо, давление Р« Ро (где Ро - исходное высокое давление).
Если дроссель открыт сильно за счет инерции давление Р > Ро , и при наличии дополнительного обратного клапана (на схеме не показано) исходное давление в емкости 2А сохранится на длительное время на уровне Р > Ро. После срабатывания ключа К2 емкость 2А освобождается от жидкости за счет перетекания в емкости ЗА и ЗВ, включенные параллельно. Поршни 4 и 5 (см. рис. 1) движутся навстречу друг другу и из емкости ЗБ, в которой до этого была жидкость (РЖ) низкого давления, выталкивают жидкость уже высокого давления, которая через обратный клапан ОК2 поступает в емкость 6А, заполненную РЖ при низком давлении в исходном состоянии. После полного сближения поршней давление в емкости 6А будет равно давлению, которое было в емкости 2А. Если же в процессе сближения поршней в емкостях 4А и 5Б было давление Р < 30 МПа, то поршни приобретут дополнительную скорость, и тогда давление в емкости 6А будет выше, чем в емкости 2А. Именно это позволяет постепенно поднять давление в системе до нужного значения.
Разработанная схема установки для обработки жидких пищевых продуктов ВГД оригинальна и позволяет эффективно решить задачу снижения себестоимости процесса обработки, обеспечения требований к высокому уровню надежности и ремонтопригодности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Катанаева, Ю.А. Современное состояние технологий с использованием высокого давления для обработки пищевых продуктов / Ю.А. Катанаева, С.А. Соколов, Н.Н. Севаторов. - Текст: непосредственный // Вестник Керченского государственного морского технологического университета.- 2022. - № 3. - С. 143-161.
2. Дебелый, В.Л. О перспективах использования сверхвысокого давления при производстве слабоалкогольных напитков (укр.) / В.Л. Дебелый, С.А. Соколов, В.А. Сукманов. - Текст: непосредственный // Оборудование и технологии пищевых производств: сб. науч. тр. - Донецк: ДонГУЭТ, 2001. - Вып. 5. - С. 117-123.
3. Биба, Е.В. Социально-экономическое и технологическое развитие Донбасса / Е.В. Биба, Л.А. Короп, Е.И. Манаенко [и др.]. - Ростов-на-Дону : Параграф, 2022. -406 с. - Текст: непосредственный.
4. Совершенствование процесса и оборудования для стабилизации качества вишневого сока с использованием высокого давления: дис. ... канд. техн. наук / Ю.Н. Петрова. - Донецк, 2004. - 203 с. - Текст: непосредственный.
5. Соколов, С.А. Экспериментальная оценка кинетики деградации витамина с в соках цитрусовых плодов, обработанных высоким гидростатическим давлением /
209
С.А. Соколов, А.А. Яшонков, А.С. Соколов. - Текст: непосредственный // Вестник Керченского государственного морского технологического университета.
- 2022. - № 1. - С. 103-125. - DOI 10.47404/2619-0605_2022_1_103.
6. Food & Beverage Online. B2B Food Marketplace for Manufacturers, Exporters, Suppliers [electronic resource]. Аccess mode: https://www.21food.com/ (Date of application: 21.05.2024).
REFERENCES
1. Katanaeva YU.A., Sokolov S.A., Sevatorov N.N. Sovremennoe sostoyanie tekhnologij s ispol'zovaniem vysokogo davleniya dlya obrabotki pishchevyh produktov [The current state of high-pressure technologies for food processing], Vestnik Kerchenskogo gosudarstvennogo morskogo tekhnologicheskogo universiteta. - 2022.
- № 3. - pp. 143-161.
2. Debelyj, V.L. Sokolov S.A., Sukmanov V.A. O perspektivah ispol'zovaniya sverhvy-sokogo davleniya pri proizvodstve slaboalkogol'nyh napitkov (ukr.) [On the prospects of using ultra-high pressure in the production of low-alcohol beverages], Oborudo-vanie i tekhno-logii pishchevyh proizvodstv: Tematicheskij sbornik nauchnyh trudov, Doneck: DonGUET, 2010. Vyp. 5. - pp. 117-123.
3. Biba E.V., Korop L.A., Manaenko E.I. i dr. Social'no-ekonomicheskoe i tekhnologi-cheskoe razvitie Donbassa [Socio-economic and technological development of Donbass]. - Rostov-na-Donu : Paragraf, 2022.- 406 p.
4. Petrova, Yu.N. Sovershenstvovanie processa i oborudovaniya dlya stabilizacii ka-che-stva vishnevogo soka s ispol'zovaniem vysokogo davleniya [Improvement of the process and equipment for stabilizing the quality of cherry juice using high pressure]: dis. ... kand. tekhn. nauk. - Doneck, 2004. - 203 p.
5. Sokolov, S.A., YAshonkov A.A., Sokolov A.S. Eksperimental'naya ocenka kinetiki de-gradacii vitamina s v sokah citrusovyh plodov, obrabotannyh vysokim gidrostatiches-kim davleniem [Experimental evaluation of the kinetics of vitamin c degradation in citrus fruit juices treated with high hydrostatic pressure], Vestnik Kerchenskogo gosudarstven-nogo morskogo tekhnologicheskogo universiteta. - 2022 - № 1. - pp. 103-125, DOI 10.47404/2619-0605_2022_1_103.
6. Food & Beverage Online. B2B Food Marketplace for Manufacturers, Exporters, Suppliers [electronic resource]. Аccess mode: https://www.21food.com/ Date of application: 21.05.2024.
