Способ управления процессом сушки сырокопченых и сыровяленых мясных и рыбных изделий в конвективной установке камерного типа

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к процессам холодильной и криогенной техники, системам кондиционирования и технологии продовольственных продуктов. В основу изобретения заложен принцип 1-ой стадии сушки высоковлажных пищевых продуктов, которая осуществляется при постоянной скорости выделения - испарения влаги с поверхности продукта, при этом температура испарения влаги с поверхности продукта остается на постоянном уровне, но при условии, что значение относительной влажности воздуха в рабочей камере установки снижается во время сушки. Оценка температуры испарения воды с поверхности продукта осуществляется с помощью чувствительного термоэлектрического датчика. Изобретение обеспечивает усовершенствование контроля и управления процессом сушки сырокопченых и сыровяленых рыбных и мясных изделий, в том числе колбас. 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии продовольственных продуктов, более конкретно - ресурсосберегающим технологиям производства высококачественных биологически безопасных пищевых продуктов и экологически безопасным пищевым производствам; а также к технологическому оборудованию мясной и рыбной отрасли, более конкретно - машинам и аппаратам, процессам холодильной и криогенной техники, системам кондиционирования, и может использоваться в пищевой промышленности.

Известен способ управления процессом сушки сырокопченых и сыровяленых колбасных изделий, по которому сушка колбас производится при температуре 10-12°С и снижающейся относительной влажности воздуха (90-70%). Управление переменными температурно-влажностными режимами сушки (созревания) колбас реализуется по специальной программе, записанной в памяти микропроцессорного блока управления [Некоторые особенности производства сырокопченых колбас в условиях колбасных цехов малой мощности. Фатьянов Е.В., Алейников А.К., Богачев Б.В., Каменецкий М.Л., Пыхтин В.В. // «Пища. Экология. Человек»: Материалы третьей международной научно-технической конференции. М.: МГУПБ, 1999, с.110], [Фатьянов Е.В., Алейников А.К. Температурно-влажностные режимы обработки мясных продуктов. // «Пища. Экология. Человек»: Материалы международной научно-технической конференции. М.: МГУПБ, 1995, с.108].

Вышеприведенный аналог не учитывает различий в мясном сырье по химическому составу, состоянию влаги, направленности и продолжительности автолиза.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ управления процессом сушки сырокопченых и сыровяленых колбасных изделий, по которому сушка колбас производится на основе оценки потерь влаги или массы продукта во время обезвоживания в режиме реального времени [Шаззо Р.И. Исследование процессов сушки сырокопченых колбас с целью разработки технических средств для создания оптимальных условий. Автореф. дис. канд. техн. наук - М.: МТИММП, 1981]. Процесс сушки колбас контролируется методом периодического взвешивания с помощью пружинных или электронных весов, дополнительно оснащенных разгрузочным механизмом для исследуемой выборки объекта сушки.

Этот способ обладает запоздалой реакцией на изменение физико-химических свойств мясной системы продукта во время сушки-созревания.

В результате возникновения этих недостатков повышается вероятность снижения качества выпускаемой продукции, увеличения затрат времени и энергии на проведение процесса сушки, и увеличивается трудоемкость в разработке режима сушки для новых нестандартных видов мясных и рыбных изделий.

Предлагаемым изобретением решается задача усовершенствования контроля и управления процессом сушки сырокопченых и сыровяленых рыбных и мясных изделий, в том числе колбас, методом оценки температуры испарения воды с поверхности продукта с помощью чувствительного термоэлектрического датчика.

Поставленная задача решается в способе управления процессом сушки сырокопченых и сыровяленых мясных и рыбных изделий, включающем в себя две стадии, при которых режим по значению относительной влажности воздуха и продолжительность 1-й стадии сушки продукта определяют из условия минимальной температуры испарения влаги с поверхности объекта сушки, которую измеряют чувствительным термоэлектрическим датчиком и определяют ее минимальное значение во временном интервале с помощью электронного дифференцирующего устройства, что соответствует максимально возможной интенсивности испарения влаги в текущий момент или интервал времени процесса сушки, и поддерживают ее с помощью блока управления, при этом процесс ведут в импульсном режиме обдува воздухом объекта сушки, состоящем из импульсов и пауз, каждый продолжительностью по 15-60 минут в зависимости от средней массы и типа продукта с помощью реле времени блока управления, а максимально возможную скорость сушки продукта периодически оценивают в начале каждой активной фазы цикла воздухообмена и устанавливают соответствующую данному циклу максимальную интенсивность испарения влаги и минимальную температуру испарения влаги с поверхности объекта сушки, определение которой осуществляют путем плавного увеличения интенсивности охлаждения-осушения воздуха в рабочей камере сушильной установки за счет регулирования величины теплообмена и массообмена между охладителем воздуха, сушильным агентом и поверхностью высушиваемого изделия с помощью блока управления, холодильной установки и вентиляторов; импульсы воздушного обдува в свою очередь чередуют в режиме реверса, процесс осуществляют до момента начала повышения температуры испарения влаги с поверхности объекта сушки, произошедшей независимо от интенсивности обезвоживания сушильного агента в рабочей камере охладителем воздуха, что в свою очередь сигнализирует о завершении 1-й стадии сушки продукта; режим по значению относительной влажности воздуха на 2-й стадии сушки продукта задают на одном уровне, либо по снижающемуся ступенчатому алгоритму.

В основу предлагаемого изобретения заложен принцип 1-й стадии сушки высоковлажных пищевых продуктов, которая осуществляется при постоянной скорости выделения (испарения) влаги с поверхности продукта, при этом температура испарения влаги с поверхности продукта остается на постоянном уровне, но при условии, что значение относительной влажности воздуха (ОВВ) в рабочей камере снижается во время сушки [Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1973. - с.179-184]. В качестве чувствительного термоэлектрического датчика следует применять термометр электрического сопротивления на основе платиновой обмотки игольчатой или другой компактной конструкции, либо полупроводниковый датчик или игольчатую термопару.

Предлагаемый способ управления процессом сушки сырокопченых и сыровяленых мясных и рыбных изделий отличает от подобных промышленных технологий сушки наличие следующих признаков:

1. Контроль процесса сушки и регулирование относительной влажности воздуха (ОВВ) по ступенчатому или плавно снижающемуся алгоритму в зависимости от текущего времени обработки в сушильной конвективной установке камерного типа по температуре испарения влаги с поверхности объекта сушки, со значением которой и интенсивностью испарения влаги с поверхности объекта сушки существует обратная корреляция. Температура испарения влаги с поверхности объекта сушки измеряется с помощью дополнительно установленного чувствительного термоэлектрического датчика. Сигнал от термоэлектрического датчика передается на измеритель-регулятор температуры с устройством дифференцирования электронного сигнала, встроенный в блок управления (или связанный с ним), а затем на исполнительные механизмы системы кондиционирования воздуха в рабочей камере сушилки. В зависимости от кинетики температуры испарения воды с поверхности продукта посредством перечисленных элементов системы управления осуществляется регулирование интенсивности обезвоживания воздуха в рабочей камере сушилки с помощью различных способов. Например, способ регулирования подачи хладагента в испаритель охладителя воздуха или изменение температуры хладагента или регулирование интенсивности теплообмена и массообмена (влагообмена) между охладителем воздуха и циркулирующим воздухом внутри рабочей камеры сушильной установки. В результате возможно более точное управление процессом обезвоживания мясных и рыбных продуктов, чем при использовании программного блока управления режимом сушки продукта (то есть значением ОВВ) с помощью обычного измерителя регулятора температуры (и ОВВ), дополнительно снабженного устройством дифференцирования сигнала от чувствительного термоэлектрического датчика, на определенном этапе процесса обработки. Здесь реализуется принцип саморегулирования режима сушки по снижающемуся ступенчатому (или линейному) алгоритму изменения ОВВ в рабочей камере сушильной установки. Это технологическое решение является особенно важным для сушки сырокопченых и сыровяленых колбас. Режим по значению ОВВ и продолжительность 1-й стадии сушки продукта (фаза постоянной скорости сушки) определяются из условия минимальной температуры испарения влаги с поверхности продукта, соответствующей максимально возможной интенсивности испарения влаги в текущий момент (интервал) времени процесса, с помощью дифференцирующего электронного устройства. Это устройство встроено в схему измерителя-регулятора температуры и обрабатывает сигнал от чувствительного термоэлектрического датчика.

2. Способ измерения (выявления) максимально возможной интенсивности испарения влаги с поверхности обрабатываемого продукта методом определения минимальной температуры испарения влаги с поверхности высушиваемого объекта в текущий момент (интервал) времени процесса 1-й стадии сушки. Метод основан на использовании импульсного режима внутренней циркуляции воздуха в рабочей камере с обрабатываемым изделием и циклического понижения значения ОВВ за счет понижения температуры охладителя воздуха сушильной установки и (или) увеличения интенсивности теплообмена и массообмена (влагообмена) между охладителем воздуха и циркулирующим воздухом внутри рабочей камеры сушильной установки, что показано на чертеже, где а - кривая скорости сушки, то есть интенсивности испарения влаги с поверхности продукта; б - кривая температуры испарения влаги с поверхности продукта; φ_i - текущее значение относительной влажности воздуха в рабочей камере сушильной установки, %; φ_равн - равновесное значение относительной влажности воздуха над поверхностью продукта в начале текущего интервала (активная фаза) процесса сушки, %; ф_оптим - оптимальное значение относительной влажности воздуха в рабочей камере сушильной установки по обеспечению максимальной интенсивности испарения влаги с поверхности продукта, %; ф_закал - значение относительной влажности воздуха, при котором происходит «закал» поверхности продукта и прекращение сушки, %; - скорость сушки продукта (интенсивность испарения влаги с поверхности объекта сушки), кг воды/час на 1 кг сухого вещества; - максимальная скорость сушки продукта (интенсивность испарения влаги с поверхности объекта сушки) в текущем интервале времени процесса сушки, кг воды/ час на 1 кг сухого вещества; t_i ^исп - текущая температура испарения влаги с поверхности продукта, °С; t_возд - температура воздуха в рабочей камере сушильной установки, °С; t_min - минимальная температура испарения влаги с поверхности продукта в текущем интервале времени процесса сушки, °С.

3. Режим по значению относительной влажности воздуха на 2-й стадии сушки продукта (этап падающей скорости сушки) задают на одном фиксированном уровне, зависящего от необходимого (требуемого) конечного значения активности воды в центре продукта, либо регулируют известным способом.

Режим импульсного обдува продукта воздухом состоит из импульсов и пауз, каждых продолжительностью от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от типа продукта и средней массы образца обрабатываемого изделия. Импульсы воздушного обдува в свою очередь чередуются в режиме реверса. Это осуществляется управлением работой вентиляторов и холодильной установки с помощью реле времени, встроенного в блок управления. Так для мясных и рыбных изделий длительность импульсов и пауз составляет по 15-60 минут в зависимости от средней массы и типа продукта.

На протяжении всей 1-й стадии сушки пищевого продукта, при условии полной загрузки рабочей камеры сушильной установки, интенсивность осушения воздуха системой кондиционирования внутри рабочей камеры устанавливается из условия максимальной скорости испарения влаги с поверхности объекта сушки в начальный момент текущего интервала сушки, температура испарения влаги с поверхности изделия соответственно минимальна.

Максимально возможная скорость 1-й стадии сушки продукта периодически оценивается в процессе импульсного режима обдува объекта сушки в начале активной фазы цикла воздухообмена и устанавливается соответствующая данному циклу максимальная интенсивность испарения влаги и соответственно минимальная температура испарения влаги с поверхности обрабатываемого изделия. Эта операция осуществляется путем плавного увеличения интенсивности охлаждения-осушения воздуха в рабочей камере сушильной установки за счет регулирования величины теплообмена и массообмена между охладителем воздуха, сушильным агентом и поверхностью высушиваемого изделия с помощью охладителя воздуха, вентиляторов и реле времени блока управления. После установления необходимой интенсивности осушения воздуха в рабочей камере сушильной установки, в дальнейшем, температура испарения влаги с поверхности продукта либо постоянна, либо снижается во время сушки-созревания продукта. Повышение температуры испарения влаги с поверхности объекта сушки независимо от интенсивности обезвоживания воздуха в рабочей камере системой кондиционирования сигнализирует о завершении 1-й стадии сушки продукта и соответственно начале 2-й стадии сушки. Значение ОВВ на 2-й стадии сушки продукта задается на одном фиксированном уровне, зависящего от необходимого (требуемого) конечного значения активности воды в центре продукта, либо регулируется известным способом, либо задается ОВВ на одном технологически стандартном уровне, либо по снижающемуся ступенчатому алгоритму.

Таким образом, режим саморегулирования текущего значения ОВВ при сушке сырокопченых и сыровяленых мясных и рыбных изделий по температуре испарения влаги с поверхности обрабатываемого продукта позволяет более качественно проводить процесс сушки с меньшими затратами времени и энергии. Также он освобождает от необходимости составления индивидуальной программы сушки при разработке новых технологий, в том числе рецептур, пищевых продуктов. Дополнительно это изобретение позволяет упростить процедуру управления сушильной установкой как в промышленном производстве, так и при лабораторных работах. Это является очень удобным при проведении научных и технологических исследований.

Предлагаемый способ управления процессом сушки сырокопченых и сыровяленых мясных и рыбных изделий с помощью сушильной конвективной установки осуществляется на практике следующим образом.

В рабочую камеру сушильной установки загружают обрабатываемый продукт (объект сушки), на одном из образцов которого закрепляют чувствительный термоэлектрический датчик игольчатой конструкции, дверь камеры герметично закрывают. Подключают к электропитанию сушильную установку вместе с холодильной машиной, блок управления и измеритель-регулятор температуры поверхности объекта сушки. На электронном регуляторе блока управления устанавливают температуру процесса сушки, регламентируемую технологией конкретного обрабатываемого изделия, а значение ОВВ в рабочей камере устанавливают равным 100% или равновесное значение ОВВ по отношению к поверхности продукта. В течение всей 1-й стадии сушки продукта скорость движения воздуха задают равной 0,5-1,0 м/с для мясных изделий [А.С. № 741624 СССР]. А для рыбных изделий ее значение составляет: вяленых - 1,5-2,2 м/с (или 0,5-3,0 м/с для мойвы), сушеных - 60-90 см/мин (в отдельных случаях от 0,13 до 2,0 м/с), холодного копчения при подсушивании - от 0,5-1,0 до 1,5-2,0 м/с. С помощью блока управления производится плавное снижение значения ОВВ в рабочей камере сушильной установки до тех пор, пока температура испарения влаги с поверхности объекта сушки не станет минимальной. Это значение поддерживается с помощью блока управления и измерителя-регулятора температуры поверхности объекта сушки в течение одного цикла работы вентиляторов для внутренней циркуляции воздуха. Один цикл состоит из импульсов и пауз, длительность которых для большинства мясных и рыбных изделий составляет по 15-60 минут в зависимости от средней массы и типа продукта. В начале последующих циклов работы вентиляторов операция по определению минимального значения температуры испарения влаги с поверхности объекта сушки повторяется. Этот алгоритм осуществляется до тех пор, пока определение минимальной температуры поверхности продукта станет невозможным, что сигнализирует о завершении стадии постоянной скорости сушки обрабатываемого изделия (1-я стадия сушки) и начале стадии падающей скорости сушки (2-я стадия сушки).

Для проведения последней стадии сушки пищевого продукта (досушивание) на электронном регуляторе блока управления устанавливают температуру и значение ОВВ процесса сушки, регламентируемые технологией конкретного обрабатываемого изделия.

Режим по значению ОВВ внутри сушильной камеры на 2-й стадии сушки сырокопченых и сыровяленых мясных продуктов регулируется одним из двух известных способов:

1. Установка значения ОВВ на одном фиксированном технологически стандартном уровне (традиционная технология сушки), а именно φ_i=76±2%;

2. С помощью ступенчатого алгоритма с равномерным во времени снижением значения ОВВ, начальное значение которой зависит от равновесного значения ОВВ над поверхностью продукта по окончании 1-й стадии сушки (согласно усовершенствованным технологиям досушивания применительно к предлагаемому способу управления процессом сушки). А именно задают, например, по начальному значению относительной влажности воздуха:

φ_нач.=φ_{равн. поверх. 1-я ст. суш.}-5, %;

где φ_{равн. поверх. 1-я ст. суш.} - равновесное значение относительной влажности воздуха над поверхностью продукта после проведения 1-й стадии сушки, %.

Конечное значение ОВВ устанавливается, например, на уровне 82-75% или 86% в зависимости от технологических особенностей обрабатываемого изделия. Снижение значения ОВВ осуществляется равномерно (по линейной зависимости) во время стадии досушивания методом программного управления.

Автором настоящего изобретения предлагается техника проведения 2-й стадии сушки (досушивание) сырокопченых и сыровяленых мясных продуктов применительно к описываемому способу управления процессом сушки, согласно которой режим по значению ОВВ внутри сушильной камеры задается на одном фиксированном уровне в зависимости от необходимого (требуемого) конечного значения активности воды в центре продукта:

φ_досуш.=a_{w кон.}×100-5, %,

где a_{w кон.} - требуемое конечное значение активности воды в центре продукта.

Например, a_{w кон.}=0,88, тогда φ_досуш.=0,88×100-5=83, %.

Досушивание следует проводить до тех пор, пока a_wi=a_{w кон.}±0,005,

где a_wi - текущее значение активности воды в центре продукта.

А для рыбных изделий значение ОВВ сушильного агента составляет:

- вяленых - 40-50%; в случае применения пульсирующего (прерывистого) режима обдува продукта воздухом на практике рекомендуется при активной фазе процесса в первые 20-24 ч сушки 50-60%, в остальное время 40-60%, при пассивной фазе процесса - 60-80%;

- сушеных - 50-55%;

- холодного копчения при подсушивании - 40-60%.

В течение всей 2-й стадии сушки продукта скорость движения воздуха в рабочей камере для мясных изделий задают равной 0,1-0,2 м/с (то есть 2×(0,05-0,1), м/с). А для рыбных изделий ее значение оставляют прежним, как было установлено на 1-й стадии сушки. Завершение процесса сушки обрабатываемого изделия можно определять по плотности (твердости) структуры, выходу готовой продукции (по конечной массе) или значению активности воды в центре продукта, регламентируемой технологией конкретного обрабатываемого изделия. Обязательно контролируется значение массовой доли влаги в готовом продукте, которое должно соответствовать нормативному значению для каждого вида изделия.

Технический результат.

Применение вышеописанного способа управления процессом сушки сырокопченых и сыровяленых мясных и рыбных изделий в конвективной установке камерного типа (в зависимости от автолитического направления созревания и химического состава исходного сырья) обеспечивает:

- предотвращение образования чрезмерного высыхания поверхностного слоя продукта («закал»), значительно замедляющего скорость сушки продукта, в том числе с исключением сложной трудоемкой процедуры разработки ступенчатого режима мягкой сушки для отдельно взятого типа изделия и его осуществления на практике;

- снижение градиента массовой доли влаги ΔW_{поверхность-центр}, характеризующее качество сушки продукта по сравнению с традиционным способом (технологией и техникой) сушки;

- возможность увеличения выхода готовой продукции и уменьшение продолжительности сушки за счет снижения градиента массовой доли влаги по поперечному сечению обрабатываемого изделия.

А предлагаемый способ (техника) досушивания мясных изделий обеспечивает:

- получение продукции с заданным значением активности воды и гарантированным уровнем безопасности;

- значительное упрощение режима досушивания продукта.

Данный способ управления процессом сушки продуктов в конвективной установке камерного типа разработан в Проблемной научно-исследовательской лаборатории электрофизических методов обработки пищевых продуктов (ПНИЛЭФМОПП) МГУ Прикладной биотехнологии применительно к ферментированным мясным изделиям с целью проведения опытных выработок экспериментальной продукции. Получены образцы мясных изделий хорошего качества, равномерно высушенные, без признаков «закала» поверхности продукта, без наличия и роста плесени при сокращении продолжительности сушки. Предлагаемый способ управления процессом сушки сырокопченых и сыровяленых мясных и рыбных изделий может быть реализован как в типовых промышленных и лабораторных климатических камерах или сушильных конвективных установках, так и с помощью специально сконструированного технологического оборудования. В перспективе является возможным создание технологического оборудования при значительном упрощении схемы и конструктивных элементов, и тем самым существенное снижение его себестоимости. Данный способ управления процессом сушки особенно эффективен для сырокопченых и сыровяленых колбасных изделий.

Способ управления процессом сушки сырокопченых и сыровяленых мясных и рыбных изделий, включающий в себя две стадии, при которых режим по значению относительной влажности воздуха и продолжительность 1-й стадии сушки продукта определяют из условия минимальной температуры испарения влаги с поверхности объекта сушки, которую измеряют чувствительным термоэлектрическим датчиком и определяют ее минимальное значение во временном интервале с помощью электронного дифференцирующего устройства, что соответствует максимально возможной интенсивности испарения влаги в текущий момент или интервал времени процесса сушки, и поддерживают ее с помощью блока управления, при этом процесс ведут в импульсном режиме обдува воздухом объекта сушки, состоящем из импульсов и пауз, каждый продолжительностью 15-60 мин в зависимости от средней массы и типа продукта с помощью реле времени блока управления, а максимально возможную скорость сушки продукта периодически оценивают в начале каждой активной фазы цикла воздухообмена и устанавливают соответствующую данному циклу максимальную интенсивность испарения влаги и минимальную температуру испарения влаги с поверхности объекта сушки, определение которой осуществляют путем плавного увеличения интенсивности охлаждения-осушения воздуха в рабочей камере сушильной установки за счет регулирования величины теплообмена и массообмена между охладителем воздуха, сушильным агентом и поверхностью высушиваемого изделия с помощью блока управления, холодильной установки и вентиляторов; импульсы воздушного обдува, в свою очередь, чередуют в режиме реверса, процесс осуществляют до момента начала повышения температуры испарения влаги с поверхности объекта сушки, произошедшего независимо от интенсивности обезвоживания сушильного агента в рабочей камере охладителем воздуха, что, в свою очередь, сигнализирует о завершении 1-й стадии сушки продукта; режим по значению относительной влажности воздуха на 2-й стадии сушки продукта задают на одном уровне либо по снижающемуся ступенчатому алгоритму.