Теоретические основы стерилизации

Повышение температуры продукта и банки при стерилизации консервов приводит к увеличению давления в банке. Разность между давлениями по обе стороны стенки может достичь таких величин, при которых происходят деформация или разрушение герметичности жестяных банок, или срыв крышек со стен банок.

Чтобы в период стерилизации и особенно во время охлаждения давление в банке не превышало допустимое, создав искусственное противодавление с наружной стороны банки (а аппарате) при помощи сжатого воздуха или воды. Противодавление может быть определенно лишь в том случае, если известно давление в банке во время стерилизации. Это давление зависит от следующих факторов: температуры продукта при закатывании и стерилизации; давление в пространстве, не заполненном продуктом при закатывании банки; степени наполнения банки продуктом; теплового расширения продукта и банки; изменения объема банки вследствие изгиба концов; выделении газов из продукта; набухание коллоидных частиц.

Давление в банке в момент герметизации (в Па)

где -упругость насыщенного водяного пара в пространстве, не заполненном продуктом, Па;

-упругость воздуха в указанном пространстве, Па.

Если укупорка банок происходит при атмосферном давлении, то

при укупорке банок под вакуумом:

где В-барометрическое давление, Па;

W -разрежение в вакуум камере, Па;

 -коэффициент вакуумного поглощения, учитывающий снижение вакуума в банке после герметизации за счет воздуха, выделяемого из продукта. Для абрикосов  =0, 58, для томатов  =0, 80.

Давление насыщенных водяных паров определяется температурой продукта, заполняющего банку: это давление берут из таблиц водяного пара.

При повышении температуры давление в банке увеличивается и во время стерилизации достигает в отдельных случаях 0.3-0.4 МПа.

Во время стерилизации давление в банке (в Па):

Где - упругость паров в банке при температуре стерилизации, Па;

- упругость воздуха при температуре стерилизации, Па.

Запишем характеристические уравнения для двух состояний воздуха:

До стерилизации:

После стерилизации:

где V1 -объем незаполненного пространства в банке в момент герметизации, м3;

V2-то же во время стерилизации, м3;

Т1 и Т2- абсолютные температуры в банке при герметизации и стерилизации, К;

R- газовая постоянная.

Разделив второе уравнение на первое найдем давление воздуха в банке во время стерилизации (Па):

Отсюда

Зная, что

Подставив в уравнение полученное значение найдем, что

Из анализа уравнения следует:

1. Разность между давлениями в банке и аппарате, которая может вызвать деформацию жестяных банок или срыв крышек со стеклянных банок, создается главным образом за счет давления воздуха в банке, так как давление пара в банке почти равно давлению пара в аппарате.

2. При всех прочих равных условиях давление воздуха в банке при стерилизации снижается, если:

а) уменьшается например при герметизации банок под вакуумом;

б) увеличивается зависящая от температуры продукта в момент укупорки, при этом, чем выше температура продукта, тем выше давление водяных паров;

в) уменьшается отношение для чего необходимо повышать температуру продукта в банке в момент укупорке, а следовательно, повысить температуру находящегося там воздуха;

г) уменьшается отношение.

Овощные закусочные, рыбные и мясные консервы стерилизуют при температуре 110-120 С, проводится в водяном паре без противодавления или в воде с воздушным либо водяным противодавлением.

В зависимости от способа стерилизации аппараты классифицируют на периодически действующие и непрерывно действующие, работающие при атмосферном давлении и при давлении выше атмосферного.

Ниже описаны также аппараты, которые в настоящее время применяются очень редко, например открытые аппараты периодического действия.

2. Для стерилизации консервов при давлении, превышающем атмосферное, паром или в воде применяют автоклавы, работающие периодически.

Автоклавы изготовляют двух типов: вертикальные и горизонтальные. Горизонтальные автоклавы применяют для стерилизации в жестяной таре, вертикальные- для всех видов консервов как в жестяной, так и в стеклянной таре, поэтому они получили широкое распространение на консервных заводах.

Коммуникация автоклавов, работающих с противодавлением. Если при стерилизации консервов создают противодавление, то в зависимости от способа стерилизации коммуникация автоклава должна обеспечить подачу сжатого воздуха или воды под давлением.

Охлаждение консервов в автоклавах. Охлаждение консервов, в особенности в стеклянной таре, является одним из самых ответственных процессов. Исследования показали, что термостойкость стекла при охлаждении значительно ниже, чем при нагреве. Объясняется это тем, что при нагреве наружные слои стенки стеклянной банки испытывают сжимающие усилия, в то время как при охлаждении в них возникает растягивающие усилия.

Напряжение, при котором происходит разрушение стекла, составляет (в МПа): на сжатие 650-750, на растяжение 3580. Таким образом, при растяжении сопротивляемость в 16-17 раз ниже, чем при сжатии.

Как показывает опыт наиболее опасным является этап охлаждения банок от температуры стерилизации до 70 С. В этом интервале температур в материале банок возникают особенно высокие напряжения, приводящие иногда к разрушению. Для предотвращения боя банок при охлаждении температуру в автоклаве следует снижать постепенно и равномерно.

При обычной коммуникации, через которую охлаждающая вода подается одной струей сбоку автоклава, нельзя достигнуть равномерного охлаждения банок. При таком способе подачи воды температура ее даже в одной горизонтальной плоскости отличается почти на 20 С. Для постепенного и равномерного охлаждения банок охлаждающую воду подают мелкими струями через барботер или через душ, укрепленный под крышкой автоклава. Этот способ охлаждения в заводских условиях показал хорошие результаты.

Механизация загрузки и разгрузки автоклавных сеток. Устройства для загрузки автоклавных сеток банками и выгрузки их из сеток значительно облегчают труд обслуживающего персонала, повышают производительность труда и уменьшают бой банок.

Наиболее простой способ загрузки жестяных банок в сетки- это загрузка с применением водяной подушки. При этом способе пустую сетку при помощи электротали погружают в сосуд, наполненный водой, уровень которой несколько выше кромки сетки. С транспортера банки попадают в воду, которая предохраняет их от деформации или боя. Когда сетка заполнена банками, ее выгружают из сосуда с водой и загружают в автоклав. Для разгрузки сеток после стерилизации может быть использован такой же сосуд, но заполненный раствором, плотность которого больше плотности банок.

Для загрузки банок и выгрузки банок из сеток применяют так же установки с гидравлическим подъемником, а так же с электромагнитной головкой.

Автоматическое регулирование стерилизации а автоклаве. Качество консервов и возможность их длительного хранения в значительной степени зависят от точности соблюдения режима стерилизации. Наиболее надежным являются автоматический контроль и автоматическое регулирование температуры в автоклаве и продолжительности собственно стерилизации. В автоклавах периодического действия для регулирования и контроля повышения давления и температуры, продолжительности и температуры собственно стерилизации, автоматической продувки автоклава от воздуха, противодавления, продолжительности снижения давления и охлаждения водой применяют различные схемы.

Для автоматического контроля и регулирования используют пневматические и электрические программные терморегуляторы с применением реле времени, звуковой и световой сигнализации, с автоматической записью во время температуры и давления в автоклаве.

При стерилизации консервов в жестяной и стеклянной таре паром в периодически действующем автоклаве, работающим с противодавлением, применяют программные регуляторы температур и давления систем ПРП-2 и ПРП-2У. Эти регуляторы обеспечивают устойчивый процесс стерилизации согласно заданному режиму с отклонениями температуры от заданной на  1, 50С, продолжительности отдельных этапов стерилизации на  900С и давления на  10 кПа.

Температуру можно регулировать от 20 до 1400С и давление от 0 до 0, 4 Мпа.

Принципиальная схема автоматического регулирования процессов стерилизации с применением программного регулятора ПРП-2показан на рис.1.

На автоклаве 1 размещены клапаны, регулирующие подачу пара (клапан 2), воды (4), воздуха (6), и слив воды(5), а также датчик температуры (3) и датчик давления (7). На щите регулятора ПРП-2 находятся регулятор давления (8) и функциональный блок (9), для выработки программы по давлению. Этот блок моделирует давление, развивающееся в банке, в зависимости от температуры в автоклаве.

Блок (10), на щите устанавливает постоянное отношения давления к разности температур.

На щите регулятора ПРП-2 также вторичный прибор (12), показывающий, регулирующий и регистрирующий температуру в автоклаве; пневмоприставка 2, преобразующая значения температуры в автоклаве в унифицированный сигнал сжатого воздуха; программирующее устройство (13), управляющее работой механизма, изменяющие заданные температуры. Устройство (13), сигнализирует о начале сигнализации при помощи реле времени, регулирующего продолжительность отдельных этапов сигнализации. Установка работающая по этой схеме, автоматически регулирует по заданной программе все процессы в автоклаве в пределах времени.

Воздушным компрессором создают и поддерживают постоянное давление в системе с помощью регулятора давления. Воздух поступает в прибор ПРП-2,

Откуда импульсы передаются на все мембранные регулирующие клапаны в соответствии с заданной программой.

Температура регулируется клапанном 2 типа “ВО”, подающем пар в автоклав, и клапанном (4), типа ВЗ для охлаждающей воды. Давление регулируется клапанном (5), типа ВО, установленным на сливной магистрали, и клапанном (6), типа ВЗ, подающим сжатый воздух. Воздух поступает в прибор ПРП-2, откуда пневматические импульсы передаются мембранным регулирующим клапаном.

В автоклаве одновременно с повышением давления повышается и температура, так как непрерывно поступающий пар греет находящуюся там воду и консервы. Когда температура в автоклаве становится равной заданной (температуре стерилизации), прибор ПРП-2 автоматически переключает работу установки на “собственно стерилизацию”. После окончания собственно стерилизации прибор ПРП-2 прекращает подачу пневматических импульсов к клапану (2), закрывая его, и одновременно направляет импульс к клапану (4), открывая его для прохода охлаждающей воды. Холодная вода, поступая в автоклав, вытесняет находящуюся там воду через клапан (5) в канализацию. Охлаждение длится заданное время.

После этого воздух из автоклава выходит в атмосферу, при этом медленно снижается противодавление. Когда температура в автоклаве снизится до 400С, импульс от датчика температуры замыкает контакт переключателя в приборе. В это время загорается лампочка, сигнализирующая об окончании процесса. Автоклав открывают, погружают сетки с банками, загружают новые сетки, закрывают крышку и включают автоматическую регулирующую установку.

3. Вертикальные автоклавы.

Вертикальные автоклавы изготовляют двух- и четырехсетчатыми.

Рис.2 Схема автоматического регулирования процесса стерилизации в автоклаве.

Рис. 3 Вертикальный автоклав

Рис. 4 Горизонтальный автоклав: 1 корпус; 2 крышка; 3 зажимной штурвал; 4 барометр.

В промышленности встречаются также одно- и трехсетчатые автоклавы, различающиеся только по высоте корпуса.

Вертикальный двухсетчатый автоклав конструкции Главпищемаша (рис.2.), имеет сварной цилиндрический корпус (3), из углеродистой стали Ст3. герметичность соединения крышки (4), с корпусом (3), обеспечивается прокладкой из промасленного асбеста, установленной на кольце. Внутри автоклава, над его днищем, расположен крестообразный барботер (11). На опорном кольце установлены стальные сетки (10), с отверстиями на всей боковой поверхности. На крышке автоклава размешены предохранительный клапан и продувной кран. Спускная труба присоединена к днищу автоклава в центре. К цилиндрической части автоклава приварена коробка, на которой установлены термометр (9) до 1500С и манометр (8), до 0, 6 МПа. Для циркуляции воды в коробке последняя соединена трубкой с нижней частью автоклава; благодаря чему обеспечивается правильное показание термометра. Крышка снабжена противовесом (2), облегчающим ее подъем и опускание специальным кольцевым зажимом.