4.1. Периодическая стерилизация

Изучение процессов стерилизации мы начнем с анализа закрытого сосуда с полным перемешиванием, содержащего суспензию клеток или спор. Жидкость должна стерилизоваться при нагревании, а затем охлаждаться до температуры, отвечающей требованиям дальнейших этапов процесса. Концентрацию организмов, оставшихся жизнеспособными после такой обработки, можно вычислить по уравнениям (7.125) и (7.126):

(92)

В это уравнение в явной форме включена зависимость температуры жидкости от времени. Путем разделения переменных в уравнении (9.92) и интегрирования находим

(93)

Индекс f указывает, что данный параметр отражает конечные условия.

Конструкция стерилизатора периодического действия обычно включает одно или несколько нагревающих устройств, где нагревание может осуществляться путем барботирования пара (пропускания острого пара через стерилизуемую среду), с помощью электрических нагревателей, посредством нагревания или охлаждения в жидкостном теплообменнике. Дейндорфер и Хамфри* предложили подразделять различные способы нагревания или охлаждения в соответствии с формой кривой изменения температуры во времени (температурным профилем);

* Deindoerfer F. Н., Humphrey А. Е., Analytical Method for Calculating Heat Sterilization Times; Appl. Microbiol., 7, 256 (1959).

соответствующие функции приведены в табл. 4. Интеграл в правой части уравнения (93) можно определить, разделив весь диапазон интегрирования на три интервала — нагревание (повышение температуры), выдержку и охлаждение. В конечном счете мы получим четыре интегральных уравнения, одно из которых описывает интервал постоянной температуры, а три других — интервалы изменения температуры по гиперболическому, линейному или экспоненциальному законам.

Таблица 9.4. Температурные профили периодических процессов стерилизации'

Здесь целесообразно изучить также математическую модель другого процесса, а именно тепловой стерилизации твердых тел или жидкостей в состоянии покоя. Одной из областей использования тепловой стерилизации является разрушение токсичных организмов в герметично упакованных пищевых продуктах. Часто возникает необходимость и в максимальном удалении популяций микроорганизмов, способных разлагать или каким-либо другим образом вызывать порчу продуктов в закрытых контейнерах. В подлежащих стерилизации жидкостях часто содержатся суспендированные твердые частицы или скопления микроорганизмов. Если внутри этих частиц или скоплений имеются нежелательные организмы, то они труднее поддаются тепловой обработке, и поэтому для их стерилизации необходимо более продолжительное нагревание или более высокая температура.

Р ассчитанные с помощью этих уравнений профили распределения температур в сфере при различных t представлены на рис. 23. Что касается процессов стерилизации, то наиболее важным выводом из обсуждаемой модели является наличие лаг-фазы между временем приложения высокой температуры к поверхности твердого тела и установлением аналогичной температуры во всем объеме тела. Следовательно, в общем случае разрушение организмов в центре твердого тела будет менее полным, чем на его поверхности. Качественно этот вывод сохраняет свою силу для тел любой другой геометрии и любых начальных и граничных условий. Не имея возможности углубляться в детали проблемы теплопроводности в различных системах в нестационарных условиях, мы рекомендуем читателю монографию Карслоу и Егера, содержащую много дополнительной информации, описывающей теории и аналитические решения.

РИС. 23. Температурные профили в сфере радиусом R в зависимости от относительного времени kt/ρCpR² (обозначено цифрами на каждой кривой). Т₀ — начальная температура в любой точке сферы, а Т₁ — температура наружной поверхности сферы при t>0.

Если зависимость температуры от времени и положения внутри твердого тела определена, то затем можно рассчитать и долю погибших микроорганизмов и спор в этом теле. Для этой цели в пищевой промышленности использовались два подхода. В первом из них рассматривается концентрация организмов в центре твердого тела. Поскольку центр нагревается в последнюю очередь, то, если его нагреть до соответствующей температуры, будет обеспечена достаточная степень стерилизации и всего твердого тела. Далее для расчета доли выживших организмов в центре нам достаточно ввести в уравнение (93) функцию зависимости температуры от времени в этой же точке и вычислить соответствующий интеграл. Последнюю операцию часто удобнее выполнять в численной или графической форме, поскольку зависимость Т от t обычно выражается довольно сложным уравнением, например (106).

В другом подходе описанные выше вычисления повторяют много раз и таким путем определяют концентрацию выживших организмов в каждой точке внутри твердого тела. Затем, интегрируя эти концентрации по всему объему твердого тела, можно определить численность выжившей популяции или вероятность выживания организмов. Хотя принцип такого подхода очевиден и несложен, соответствующие расчеты довольно трудоемки. Поэтому для решения конкретных задач пищевой промышленности были разработаны упрощенные методики расчета, основанные на том же принципе. Объяснение этих методик невозможно без введения новых понятий и определений; интересующийся этой проблемой читатель может ознакомиться с ней детальнее в книге Чарма [30].

Преимущество периодической стерилизации состоит в относительной простоте процесса, но вместе с тем ей свойствен и ряд недостатков. Один из них связан с продолжительным нагреванием и охлаждением, другой вытекает из первого и заключается в возможности разрушения полезных компонентов стерилизуемой системы. Действительно, при нагревании разрушаются многие витамины, а белки подвергаются денатурации. Необходимо подчеркнуть, что кинетика разрушения этих компонентов системы часто описывается теми же уравнениями, что и кинетика гибели организмов [уравнение (9.92)], а энергия активации этих нежелательных побочных превращений обычно намного ниже энергии «реакции» стерилизации. Приведенные в табл. 5 величины, например, на 50—100 ккал/моль меньше энергии, обычно необходимой для разрушения клеток и спор.

Поскольку энергия активации необходимого процесса выше энергии активации побочной реакции, то повышение температуры благоприятно влияет на отношение скоростей необходимого и побочного процессов. Отсюда следует, что для подавления реакции Майяра или предотвращения разрушения лабильных соединений процесс стерилизации нужно проводить при возможно более высокой температуре в течение минимального времени, обеспечивающего гибель нежелательных организмов (высокотемпературная кратковременная обработка, или режим ВТКВ). В процессах периодической стерилизации при медленном нагревании и медленном охлаждении эти цели не достигаются. В рассматриваемой ниже непрерывной стерилизации в потоке режим ВТКВ обеспечивается значительно легче.

Таблица.5. Приближенные величины энергии активации некоторых нежелательных побочных реакций, происходящих при тепловой обработке