7.2.3. Оборудование для пастеризации и стерилизации пищевого сырья

В пищевой промышленности для увеличения сроков хранения пищевых продуктов широко используется пастеризация и стерилизация. Технологические параметры тепловой обработки (температура, продолжительность процесса, давление) зависят от вида и свойств продукта, предполагаемого срока хранения.

Процесс тепловой обработки состоит из трех этапов: нагрева продукта до регламентируемой температуры, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения.

Для пастеризации и стерилизации в пищевой промышленности используют оборудование периодического и непрерывного действия.

При пастеризации нагревание продукта проводится при температуре от 50 до 100 °C, после нагревания продукт выдерживается определенное время. За это время гибнут вегетативные болезнетворные формы микроорганизмов, оптимальной температурой жизнедеятельности которых является температура 20–40 °C.

Так, например, практически установлено, что оптимальная температура пастеризации в потоке пива 70–75 °C при длительности выдержки 20–40 с, молока – 75–85 °C при длительности выдержки 15–30 с.

Тепловая обработка при температуре свыше 100°С называется стерилизацией. В процессе такой тепловой обработки отмирает большая часть спорообразующих микроорганизмов устойчивых при температуре ниже 100 °С.

Полная инактивация микрофлоры зависти от температуры и длительности выдержки продукта. Стерилизация проводится как во время движения продукта по трубе так и расфасованного в тару.

Стерилизаторы периодического действия называются автоклавами. Они бывают вертикальными и горизонтальными. Широкое распространение получили вертикальные автоклавы, предназначенные для стерилизации герметически укупоренных банок с продуктом при температуре выше 100°С.

Вертикальный автоклав (рис 7.27) состоит из корпуса 3, крышки 4, корзины 10, штуцера 9 для подключения регулятора, арматуры для соединения с магистралями пара воздуха и для спуска конденсатора.

Рис. 7.27. Вертикальный автоклав: 1 – равновесное устройство; 2 - зажим; 3 - корпус; 4 - крышка; 5 – предохранительный клапан; 6 - пробно-спускной кран; 7 - термометр; 8 - манометр; 9 - программный регулятор; 10 - корзина; 11 - кольцевой барботёр; 12 – сливной патрубок со стаканом.

На корпусе установлены манометр 8, термометр 7, и датчики регулятора. Внизу корпуса расположены паровой барботёр 11 и сливной патрубок со стаканом 12.

Фланцы крышки и корпуса прижимаются друг к другу с помощью быстродействующего зажима 2, состоящего из пятнадцати секторных захватов, укрепленных на кольцах из пружинной полосовой стали, и рычажной системы для стягивания и разведения постоянного зажима.

На крышке имеются штуцера для предохранительного клапана 5 и пробно-спускного крана 6.

Пар и воздух подаются в нижнюю часть автоклава; отвод воды может проводиться как в верхней части, так и в нижней; подвод воды для охлаждения - только в верхней части. Крышка 4 оснащена равновесным устройством 1, что уменьшает усилие при ее открывании и закрывании. Применение программного регулятора 9 позволяет проводить процесс стерилизации в автоматическом режиме.

Паровая стерилизация продуктов в банках проводится следующим образом: наполненные банками цилиндрические дырчатые стальные корзины, вместимостью около 500 л, устанавливают в автоклав одну на другую, герметизируют с помощью крышки 4, после чего открывается продувной кран и паровой вентиль, что способствует удалению из автоклава воздуха паром. При появлении пара из продувного крана его закрывают и ведут нагревание продукта до установленной температуры. Длительность нагревания устанавливается заданным режимом стерилизации. По окончании процесса стерилизации паровой вентиль закрывают и постепенно снижают давление и температуру, выпуская при этом пар через продувной вентиль. Обработанные банки с продуктом проходят стадию охлаждения до температуры 40-50°С в самом автоклаве или на открытом воздухе.

Стерилизация продуктов в стеклянной таре в воде с водяным прижимом проводится следующим образом: наполненные банками корзины устанавливают в автоклав одна на другую, герметизируют аппарат с помощью крышки 4. Аппарат наполняют водой, температура которой на 10-15°С выше температуры тары с продуктом. Через паровой барботер в автоклав подается пар, постепенно повышается температура в нем до установленной технологическим режимом. Воздушным компрессором создается и поддерживается в аппарате постоянное давление. По окончании стерилизации пар и горячая вода постепенно вытесняются из аппарата через сливную трубу холодной водой.

Особенное внимание следует уделять процессу охлаждения стеклянной тары с продуктом. Это связано с тем, что во внешних слоях стенок стеклянной тары при нагревании возникают сжимающие усилия, в то время как при охлаждении в них возникают растягивающие усилия. Установлено, что наиболее опасным из технологической точки зрения, является охлаждение тары от температуры стерилизации до 70°С. В связи с этим при охлаждении температура в автоклаве должна снижаться постепенно и равномерно.

Загрузка и разгрузка автоклавных корзин банками проводится разными способами: ручным, автоматизированным, с применением водяной подушки.

Наиболее широкое использование приобрел способ загрузки с применением водяной подушки. При этом способе пустая сетка погружается в резервуар с водой, уровень которой выше от верхнего кольца сетки. Банки подаются в воду, которая предотвращает их деформацию и битье. Корзины с заполненными банками вынимаются из резервуара и укладываются в автоклав.

Для разгрузки банок из корзин после их стерилизации используется такой же резервуар, но заполненный раствором, удельный вес которого больше удельного веса банок.

Горизонтальный автоклав. Горизонтальный автоклав (рис. 7.28) состоит из корпуса 1, который из торцевых сторон имеет крышки 2, что герметически закрываются с помощью прижимного устройства 3. Внутри корпуса установлен барбатер 4 для пара, и смонтирована специальная колея для перемещения тележек с обрабатываемым продуктом. Горизонтальные автоклавы изготовливают на одну, четыре и шесть тележек и конструктивно они отличаются между собой лишь длиной корпуса. Аналогично вертикальным автоклавам горизонтальные автоклавы комплектуются соответствующими контрольно-измерительными приборами и коммуникациями.

Рис.7.28. Горизонтальный автоклав: 1 – корпус; 2 – крышки; 3 – прижимное устройство; 4 – барботер.

Наличие двух крышек дает возможность загружать продукцией аппарат с одной стороны, а разгружать из противоположной, что обеспечивает поточность технологического процесса. Горизонтальные стерилизаторы рассчитаны на работу при температуре до 140°С и давлении до 500 кПа.

Установлено, что предоставление сосуду механического вращательного движения позволяет значительно сократить общую длительность стерилизации, улучшить условия теплопередачи, повысить качество обрабатываемого продукта. Вращение барабана осуществляют с помощью электродвигателя, который укомплектован вариатором скорости.

Следует отметить, что для аппаратов периодического действия характерны большая энергоемкость (на 600 кг продукции тратится около 375 кг пара, 8,0 м³ охлаждающ6ей воды и 7,0м³ воздуха), малая производительность и значительные затраты ручного труда. Кроме того, в аппаратах периодического действия невозможно соблюдение оптимальных условий обработки в соответствии с технологическим режимом для каждого вида продукции, что приводит к снижению биологической ценности продукта.

В промышленности используют тоннельные, башенные, роторные установки непрерывного действия для пастеризации и стерилизации продукции расфасованной в тару. Тоннельные установки работают при атмосферном давлении, башенные и роторные – при избыточном.

Пастеризаторы непрерывного действия.

В пищевой промышленности для пастеризации продуктов, расфасованных в тару, используют тоннельные пастеризаторы непрерывного действия оросительного типа. Длительность обработки продукта в непрерывно действующих пастеризаторах составляет около 50-60мин.

Такие пастеризаторы, как правило, имеют форму удлиненного – одно-, двух- или трехъярусного тоннеля; содержат зоны подогрева (49-85 °С), выдержки (пастеризации) (72-75 °С) и охлаждения (58-20 °С). Количество ярусов и, соответственно, габаритные размеры пастеризатора связаны с его производительностью - от 6000 шт./ч до 80000 шт./ч. Пастеризатор производительностью 6000 шт./ч имеет длину 12м и ширину 4,5м.

Тоннельные пастеризаторы тратят большое количество тепла, и только часть его рекуперируется. Так средние расходы пары при давлении 400 кПа составляют 50-80 кг на 1000 бутылок вместимостью 0,5 л. Для предотвращения боя бутылок во многих тоннельных пастеризаторах температурные зоны разделены на подзоны, в результате чего длина пастеризатора значительно увеличивается.

Тоннельный пастеризатор оросительного типа (рис. 7.29) имеет длинный металлический тоннель прямоугольной формы, внутри которого бутылки цепным или колосниковым конвейером перемещаются в сторону разгрузочного устройства 8. В нижней части находятся сборники воды с разной температурой, а в верхней части - резервуар 3 и распределительные устройства 4, 7 для равномерного орошения бутылок. Циркуляцию воды обеспечивают насосы 10 и 11.

Количество бутылок в пастеризаторе зависит от их диаметра. Так в пастеризаторе производительностью 6000 шт./ч может обрабатываться за 1 час 6000 бутылок емкостью 0,5 л, 7500 бутылок емкостью 0,33 л или 5400 бутылок емкостью 0,65 л. Скорость перемещения бутылок в пастеризаторе небольшая и составляет 3-4 мм/с.

Рис.7.29. Схема тоннельного пастеризатора: 1,2 - загрузочное устройство; 3 – резервуар с водой; 4, 7 – оросительные устройства; 5 - распределитель воды; 6 - верхние съёмные крышки; 8 – выгрузка бутылок; 9 - конвейер; 10 - насос для циркуляции воды из зоны предыдущего подогревания в зону охлаждения; 11 - насос для циркуляции воды из зоны охлаждения в зону предыдущего подогревания; 12 – трубопровод для поддержания одинакового уровня воды; 13 - переливное отверстие; 14 - отверстие для спуска воды.

П 1)

Тоннельные пастеризаторы обеспечивают одновременно тепловую обработку тары, продукта, закупоривающего материала; устраняют возможность повторного попадания микроорганизмов в пиво, дают возможность регулирования диапазона производительности в зависимости от вместимости бутылок и заданного режима пастеризации. В пастеризаторе можно осуществлять тепловую обработку продукта в стеклянной или металлической таре.

К недостаткам следует отнести большую металлоемкость, значительные потери теплоты в окружающую среду в результате больших конструктивных размеров, термический бой бутылок (повышенные потери продукта), большие монтажные и производственные площади.

Инжекционный стерилизатор применяют для асептического консервирования, при котором продукт подвергается кратковременной стерилизации при высоких (140°С) температурах. Затем он быстро охлаждается и фасуется в асептических условиях.

Стерилизацию проводят в пластинчатых или трубчатых теплообменниках, а также в пароконтактных стерилизаторах. В этих аппаратах продукт смешивается с инжектируемым паром высокого давления и затем его охлаждают в вакуум-камере. Преимуществом таких стерилизаторов является отсутствие пригорания продукта, значительное сокращения продолжительности нагрева по сравнению с пластинчатыми теплообменниками, охлаждение продукта в вакуум – камере проходит почти мгновенно. Принципиальная схема инжекционного стерилизатора показана на рис. 7.30.

Продукт насосом 1 нагнетается в инжекционную головку 2, в которой он смешивается с острым паром, проходящим через отверстие 3. благодаря интенсивному перемешиванию мешалкой, установленной на валу 4, продукт равномерно нагревается до температуры соответствующей давлению пара. При этой температуре продукт находится в трубке 5 необходимое для стерилизации время.

Рис. 7.30. Принципиальная схема инжекционного стерилизатора: 1 – насос; 2 – инжекционная головка; 3 – отверстие для пара; 4 – вал; 5 – труба; 6 – пробно-спускной кран ; 7 – обратный клапан; 8 – труба вторичного пара; 9 – вакуум-камера; 10 – барометрическая трубка; 11 – продуктовый насос.

После вторичного перемешивания мешалкой продукт поступает в вакуум-камеру 9 через обратный клапан 7. За счёт резкого сброса давления происходит самоиспарение воды из продукта и охлаждение его до 35 – 37 °С. Образовавшиеся в вакуум-камере 9 вторичные пары по трубе 8 направляются в конденсатор, соединенный с вакуум-насосом.

Продукт по барометрической трубке 10 перемещается к продуктовому насосу 11 и нагнетается им в наполнитель или асептическую ёмкость.

Температура стерилизации регулируется давлением и количеством острого пара, подаваемого в инжекционную головку.