CC BY
66
Системным анализ непрерывной холодильной цепи
Г.А. Белозеров, О.В. Большаков
ВНИХИ Россельхозакадемии
В промышленно развитых странах принято считать, что затраты на сохранение произведенной пищевой продукции окупаются многократно снижением потерь в процессе доведения ее до потребителя.
В России производство продуктов питания, требующих применения холодильных процессов, составляет более 10 млн т в год [1], и оно продолжает расти. В этой связи холод как метод консервирования пищевой продукции
Рис. 1. Принципиальная схема непрерывной холодильной цепи хранения скоропортящихся продуктов
должен получить дальнейшее развитие на основе применения новых знаний в области технологий холодильной обработки и хранения сельхозсырья и скоропортящейся продукции, а также применения современных технических средств для этих целей.
Продукт, прежде чем попасть на стол потребителю, проходит длинный путь с неоднократными перевалочными операциями, с различными условиями хранения, что не может не сказаться на его качестве. При разработке технологий пищевых продуктов разработчики нормативных документов зачастую завершают технологический процесс производства складом для хранения этой продукции на предприятии. На этом этапе оценивается ее качество, но возможны изменения на этапах последующего транспортирования, хранения на распределительных холодильниках и в торговле, как правило, не рассматриваются.
Непрерывная холодильная цепь (НХЦ) играет важнейшую роль для сокращения потерь и сохранения качества скоропортящихся продуктов питания на всем пути следования от производителя до потребителя. Развитию и совершенствованию НХЦ уделяется достаточно много внимания в научной литературе [2, 3, 4, 5], однако необходимо отметить, что исследования в данном направлении относятся в основном к отдельным звеньям цепи: хранению пищевого сырья, холодильному транспорту, производственным холодильникам, объектам торговли и не охватывают рассмотрения и анализа всей цепи доставки охлажденного или замороженного продукта.
Под непрерывной холодильной цепью следует понимать совокупность холодильных процессов обработки пищевых продуктов и технических средств, обеспечивающих подготовку и доставку потребителю скоропортящегося пищевого сырья и продуктов питания на его основе с максимальным сохранением их исходного качества.
НХЦ как система доставки различных видов скоропортящегося сырья и пищевых продуктов на их основе имеет общие принципы строения, организации и функционирования, так как включает однотипные процессы:
• холодильную обработку продукции, под которой понимают процессы охлаждения, подмораживания, замо-
раживания - этап подготовки сырья или продуктов на его основе к ее последующему холодильному хранению;
• хранение, транспортирование, реализация на предприятиях торговли -единый процесс доставки сырья или готового продукта потребителю.
Для каждого вида сырья или продукта могут быть отличия по количеству звеньев цепи, по технологическим требованиям к хранению, транспортированию, режимам холодильной обработки, а также по системам производства и потребления холода.
На рис. 1 представлена принципиальная схема НХЦ, состоящая их трех блоков:
• холодильная обработка и хранение сырья в местах его производства и сбора;
• применение холода в процессах хранения сырья на перерабатывающих предприятиях и в технологических процессах его переработки;
• система доставки сырья или готовой продукции потребителю, включающая хранение, транспортирование и реализацию ее населению.
Дополнительным блоком можно рассматривать хранение продуктов в домашних холодильниках и морозильниках. Этот блок характеризуется доставкой продукта из торговой сети самими покупателями в естественных климатических условиях (реже с применением холода).
Главной отличительной чертой НХЦ для различных продуктов будут отличия в подготовке сырья и готовой продукции к последующему продвижению по цепи. На данном этапе осуществляются процессы охлаждения, подмораживания, замораживания с учетом индивидуальных свойств этих продуктов, обработка антиокислительными препаратами, упаковка и другие операции, способствующие повышению сохранности продукции в процессе доставки.
Например, в молочной промышленности - это охлаждение молока на ферме, в рыбной - охлаждение или замораживание рыбы и морепродуктов, в мясной промышленности - охлаждение или замораживание мяса в послеубойный период.
Технологические режимы холодильной обработки на этих этапах неразрывно будут связаны с требованиями НХЦ к последующим режимам хранения, транспортирования и условиям реализации той или иной продукции населению.
На этапе переработки сырья холод применяется для консервирования сырья и полуфабрикатов на промежуточных стадиях технологических процессов переработки в качестве специальных технологических приемов для направленного изменения свойств про-
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
Рис. 2. Схема построения непрерывной холодильной цепи на примере производства, хранения и транспортировки мяса и мясопродуктов
дукта. Например, в маслоделии применяют холод для повышения эффективности процесса взбивания, в кондитерской промышленности - для отвердевания изделий. В различных отраслях применяют подмораживание продуктов для повышения качества процессов нарезки тонкими слоями или осуществления других механических операций с продуктами и др.
Блок доставки сырья и продуктов его переработки потребителю включает системы хранения на холодильниках у производителя, на распределительных холодильниках и в холодильном оборудовании торгующих организаций, в период транспортирования тем или иным видом охлаждаемого транспорта.
На рис. 2 представлена схема построения холодильной цепи на примере производства мяса и мясопродуктов, являющейся сложной и разветвленнаой.
Исходя из определения НХЦ, она должна рассматриваться как совокупность последующих операций в составе единого технологического процесса доставки скоропортящегося продукта и располагать технологическим обеспечением процессов и технической базой.
В составе технологического обеспечения должна предусматриваться нормативная документация по холодильным технологиям подготовки продукции к хранению, по технологиям хранения, транспортирования и реализации с научно обоснованными требованиями - к температурно-влажностным режимам и срокам хранения в каждом из звеньев.
В составе технических средств предусматривается холодильно-техноло-гическое оборудование для охлаждения, замораживания, размораживания самых различных видов сырья и готовой продукции, производственные и распределительные холодильники, охлаждаемые транспортные средства (автомобильные, железнодорожные, водные), оборудование для хранения и реализации продукции на объектах торговли (камеры, шкафы, прилавки), бытовые холодильники и морозильники.
В рамках рассмотрения технической базы необходимо учитывать оборудование для производства холода, а также организационное начало НХЦ, включающее адекватную обеспеченность отдельных звеньев необходимым количеством оборудования, т. е. расчет необходимых холодильных емкостей для хранения сырья, готовой продукции, количества единиц транспорта, количества торговых точек и т. д.
Основные принципы организации НХЦ - полное самообеспечение и автономное функционирование каждого из звеньев в различных условиях и подчинение всех элементов одной цели - сохранению качества
продукции на пути от производителя до потребителя с наименьшими затратами.
Основные требования к НХЦ как системе следующие:
• максимальное сохранение исходного качества сырья и продукции в процессе движения по цепи;
• минимальные затраты на хранение, транспортирование и реализацию продукции;
• промышленная безопасность применяемых холодильных систем и снижение вредного воздействия на окружающую среду.
Холод играет решающую роль в замедлении негативных процессов в продуктах, поэтому главное условие функционирования каждого из звеньев цепи это в первую очередь обеспечение требуемых температурно-влаж-ностных режимов во всех звеньях с минимальными отклонениями от номинальных значений, а также снижение риска потери качества на этапах
передачи продукта из одного звена в другой. Для этого необходимы:
• минимальная продолжительность погрузо-разгрузочных операций при переходе продукции из одного звена в другое и снижение риска отепления продукта на данном этапе;
• применение по возможности типовых средств механизации ПРТС работ;
• выполнение ветеринарно-санитар-ных требований;
• применение дополнительных средств (упаковка, инертные газы, модифицированные и регулируемые среды, пленкообразующие составы и
др.);
• наличие единой информационной базы, обеспечивающей «отслеживание» качества продукции на отдельных звеньях и во всей НХЦ.
В целом холодильная технология в рассматриваемых процессах может быть эффективно реализована при условии наличия:
• основополагающих данных об исходных свойствах сырья и готовых продуктов;
• закономерностей изменения показателей их качества в процессе холодильной обработки и хранения;
• показателей, определяющих целостность НХЦ как сложной динамической системы с многочисленными внутренними подсистемами и звеньями, связями с внешней средой, оказывающими влияние на развитие технической базы.
Учитывая многозвенность НХЦ и сложность внешних связей, необходим системный подход к ее анализу, который позволит с достаточной степенью достоверности определить закономерности ее организации, строения, функционирования, установить влияние отдельных факторов на качественные и количественные характеристики, позитивные и негативные изменения в отдельных звеньях и НХЦ в целом, оптимизировать входные и выходные параметры по каждому элементу, определить пути развития и совершенствования применяемого холодильного оборудования и систем холодоснабжения, использования холодильных агентов и хладоносителей, подготовить условия для системного синтеза.
Рассматривая НХЦ как единую систему, а отдельные звенья как подсистемы, в которых совершаются технологические процессы в одних и тех же производственных условиях, можно полагать, что это обеспечит одинаковый характер изменения показателей качества продукции в процессе НХЦ. Вместе с тем на протекающие процессы в реальных условиях могут накладываться различные возмущения, что неизбежно повлечет определенные нарушения в технологии. Например, при холодильном хранении и транспортировании возмущения могут быть в виде нарушения стабильного температурного режима вследствие:
• поступления на хранение продукции с температурой выше номинальной;
• несвоевременной оттайки теплооб-менных аппаратов;
• выполнения погрузо-разгрузочных работ;
• нарушения тепловой изоляции ограждающих конструкций;
• изменения температур окружающего воздуха выше расчетных и т. д.
Чем меньше возмущений будет влиять на процесс, тем стабильнее будет качество продукции.
Академиком В.А. Панфиловым [6] разработана теория развития технологического потока как системы процессов, предложен ряд критериев для оценки стабильности и устойчивости технологических систем, которые могут быть применены и для оценки эффективности непрерывной холодильной
цепи. В работе [5] приведен пример оценки по данной методике целостности технической базы мясокомбинатов как системы, включающей холодильное хозяйство, энергетическое хозяйство и убойный цех.
Развитие холодильной промышленности в значительной степени определяется техническим уровнем применяемого холодильного оборудования, вырабатывающего холод, и холодиль-но-технологического оборудования, осуществляющего передачу холода, а также совершенством холодильных технологий пищевых продуктов.
В развитии холодильного и холо-дильно-технологического оборудования, холодильного хозяйства страны можно отметить несколько периодов, которые отражали определенные приоритеты в развитии перерабатывающих отраслей. В советское время главным направлением, например, для мясной промышленности было расширение применения холода, наращивание холодильных емкостей. При этом в качестве основного показателя эффективности холодильного хозяйства рассматривался уровень потерь от усушки сырья и готовой продукции при холодильной обработке и хранении. Вопросы качества продукции, энергетических затрат на выработку холода, промышленная и экологическая безопасность были не основными.
В настоящее время произошла смена приоритетов. На первый план вышли качество, ресурсо- и энергосбережение, безопасность продукции и холодильных систем. Поэтому представляется целесообразным для оценки эффективности НХЦ ввести показатели, характеризующие степень ее совершенства по основным направлениям.
Обобщение исследований [2] по холодильному хранению пищевых продуктов показывает, что продолжительность их хранения зависит от исходных свойств, условий холодильной обработки и режимов последующего хранения.
В работах И. Куприянова, Р. Планка, Д.Г. Рютова, Г.Б. Чижова установлены зависимости между продолжительностью и температурой хранения отдельных видов пищевых продуктов.
Например, для замороженного мяса Д.Г. Рютовым [2] предложена зависимость т = АЧ0-0,051. Коэффициент А имеет следующие числовые значения для различных видов мяса: говядина, баранина - 2,15; свинина нежирная -1,78; куры - 1,58; гуси, кролики - 1,26.
В литературе приводятся аналогичные данные об экспоненциальной зависимости допустимых сроков хранения от температуры [7] по другим видам продукции животного происхождения.
В условиях НХЦ при хранении и транспортировании продукции, несмотря на то, что должна выполняться
главная целевая функция - постоянство температурных режимов во всех звеньях, в реальных условиях неизбежны отклонения температуры от нормативных значений. Поэтому, зная численное значение начальной стойкости продукта к хранению и реальные условия хранения, может быть определена номинальная (для условий установленных нормативными документами) и действительная (для реальных условий хранения) скорость падения стойкости.
Отношение действительной стойкости продукта к хранению к номинальной может служить показателем технологической эффективности отдельных звеньев и холодильной цепи в целом.
В качестве показателя, определяющего энергетическую эффективность НХЦ, можно использовать эксергети-ческий КПД циклов выработки холода и применяемых холодильных систем. Могут быть введены и другие показатели, характеризующие экологическую и промышленную безопасность применяемых систем.
Выбор оптимального варианта может быть осуществлен [8] с помощью целевой функции, выраженной в виде
U = f (X,, X2.....Xn) ^ ext (max, min).
При решении задач оптимизации НХЦ можно найти рациональные значения основных параметров процессов холодильной обработки и хранения с учетом свойств конкретных видов сырья и продукции, допустимых сроков хранения, определить целесообразность применения тех или иных видов холодильного и холодильно-техноло-гического оборудования, холодильных агентов и хладоносителей, минимизировать затраты на выработку холода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гордеев А.В. Безопасность России. - М.: Знание, 2000.
2. Чижов Г.Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии пищевых продуктов. - М., 1971.
3. Рютов Д.Г. // Холодильная техника. 1949. № 4.
4. Белан Е.Ф. Биоэнергетические основы холодильной технологии хранения и транспортирования растительного сырья/Автореф. дисс. ... д-ра техн. наук. - Одесса, 2004.
5. Большаков О.В. Научное и инженерное обеспечение мясной промышленности. - М., 1998.
6. Панфилов В.А. Технологические линии пищевых производств. - М.: Колос, 1993.
7. Recommendations for the processing and handling of frozen foods (2nd edition). - Annexe an Bulletin de Y'Y.Y.Y.F., Paris, 1972.
8. Турчак Л.И. Основы численных методов. - М.: Наука, 1987.
