2. Періодичні способи стерилізації рідин, температурно-часові режими.

Для розрахунку ефективності режимів стерилізації необхідне знання температурно-часових режимів. При цьому відзначається залежність режимів від методів нагрівання й охолодження. На мал. 1 показані приклади цих методів. Так, варіанти а і б характеризують режими з постійною швидкістю теплового потоку.

Мал. 1. Методи нагрівання й охолодження при періодичній стерилізації рідин:

а - нагрівання гострою парою; б - електричне нагрівання; в - нагрівання глухою парою; г - охолодження водою.

У першому випадку забезпечується постійна швидкість збільшення маси рідини, що стерилізується, за рахунок пари, що конденсується, а в другому - маса цієї рідини залишається постійною. Для варіантів (в) і (г) характерна зміна швидкості теплового потоку з ізотермічними (в) і неізотермічними (г) джерелами тепла. Типові температурно-часові профілі показані на мал. 1. Для опису кожного із зазначених температурно-часових режимів використовують наступні рівняння.

При нагріванні гострою парою (гіперболічна залежність):

Т=То[1 + тτ/(1 + τt)]

де Т - поточна температура рідини в момент часу τ; То - початкова температура рідини; Ft = 0; t - температура охолоджуваної рідини в час τ.

У плані здійснення процесів деконтамінації важливо відзначити істотні відмінності в тривалості нагрівання й охолодження рідин, що стерилізуються, в апаратах різної місткості. Зі збільшенням місткості апарата зменшується площа поверхні теплообміну на одиницю об'єму рідини. При цьому зменшується й значення коефіцієнта теплопередачі. Часто при збільшенні місткості апаратам доводиться збільшувати й кількість пари, що подається на одиницю об'єму рідини, що стерилізується. Зазначені відмінності приводять до того, що при заданій температурі час досягнення однакової ефективності стерилізації рідини для геометрично подібних апаратів різної місткості змінюється. Це добре ілюструється даними, наведеними в табл. 3.

Таблиця 3.

Час, необхідний для досягнення однакового ступеня стерильності живильного середовища в ферментерах різної місткості

Місткість ферментатора, м3	Час нагрівання дo t>103 °C, хв	▼	Час витримки при 120° С, хв	▼ в	Ʃ
0,19	28,0	12,4	17,5	26,2	38,6
0,57	33,7	15,0	12,6	18,9	33,9
5,70	41,3	18,3	12.3	17,0	35,3
57,00	51,5	22,8	8,8	13,2	36,0

Найбільш принципові для періодичного способу стерилізації такі моменти: по-перше, нестаціонарний температурний режим, що припускає існування стадій нагрівання, витримки й охолодження; по-друге, частка стадій, що характеризуються змінною температурою рідини, що стерилізується, зростає в міру збільшення місткості апарата, у якому здійснюється процес термічної стерилізації; по-третє, розрахунок ефективності процесу в цілому й окремих стадіях повинен базуватися на кількісних характеристиках, що припускають знання констант термічної стійкості мікроорганізмів і швидкості зміни живильних середовищ або інших корисних властивостей рідин, що стерилізуються.

Відзначимо, що в деяких випадках при стерилізації так званих гідролізних живильних середовищ, не утримуючих термолабільних компонентів, періодичний спосіб здійснює більш тривалий вплив (до десятків хвилин) теплового поля на середовище. До недоліків цього способу в першу чергу належить нестандартність впливу температурно-часового фактора, особливо при зміні масштабів апаратів-стерилізаторів, а отже, і нестандартність складу стерильних рідин. Це пояснюється тим, що при характеристиці режимів стерилізації враховують, як правило, ефект, що стерилізує, тільки стадії витримки при заданій температурі. Кількісна характеристика інтегрального теплового ефекту за допомогою безрозмірних комплексів за типом критерію стерилізації повинна з'явитися основою грамотного переносу режимів, відпрацьованих у лабораторіях, на промислові апарати.

Розглянемо досить корисний методичний підхід до визначення довжини трубчастого витримувача й ефективності стерилізації, режимів у різних елементах УНС. На мал. 2 показані принципові схеми УНС для варіанту інжекційного нагрівання живильного середовища, насиченого водяною парою, а на мал. З - криві «температура-час».

Мал. 2. Принципові схеми технічних систем високотемпературної короткочасної стерилізації рідин при інжекційному типі нагрівача.

Мал. 3. Різні сполучення температури й часу в процесі термічної стерилізації рідин: Тн і Тк - початкова й кінцева температура відповідно.

Крива А характеризує процес при установці секції охолодження безпосередньо за секцією нагрівання. Внаслідок повільного процесу теплопередачі загальний час стерилізації більше, ніж у випадках, що характеризуються кривими Б і В. В останніх двох варіантах використаний інжекційний метод нагрівання середовища, однак на стадії охолодження у випадку Б середовище охолоджується в теплообміннику, а у випадку В - у швидкодіючому випарнику (варіант Б на мал. 2).

Показані, що для багатьох рідких живильних середовищ характерний неньютоновський режим, для якого напруга зрушення відповідає рівнянню:

де ос - напруга зрушення; Кс - показник консистенції; V - швидкість; r - радіальна координата; п - показник псевдопластичности.

У табл. 4 наведені значення Кс і п для деяких харчових рідин. Визначення цих рідин, що стерилізуються, у мікробіологічній промисловості становить безсумнівний інтерес.

Таблиця 4.

Значення показників консистенції.й псевдопластичності харчових рідин

Продукт	Температура	n	Кс
Яблучне пюре	27,2 50,6	0,382 0,301	108,50 77,00
Концентрований апельсиновий сік	15,0 0	0,584 0,542	11,90 18,00
Томатна паста	25,0 47,8	0,364 0,391	36,00 28,20
Томатний сік 5,8 % 12,8 %	32,0 50,0 65.0 32,0 50,0 65,0 82,0	0,590 0,540 0,470 0,430 0,423 0,350 0,345	2,32 2,70 3,70 20,00 18,80 22,00 21,20
Абрикосовий сік (16 % часток твердої речовини)	30,0 82,0	0,300 0,270	68,00 56,00
Персиковий сік (11.7 % часток твердої речовини)	30.0 80,0	0,280 0,2.70	72,00 58,00
Грушевий сік (16 % часток твердої речовини)	30,0 82,0	0,350 0,350	56,00 46,00

Експериментально показано, що зміна показника консистенції залежно від температури описується рівнянням Арреніуса: