3. Технологические закономерности пищевой технологии
Особенности действия законов фундаментальных наук в пищевой технологии
Как было показано ранее, все явления, которые происходят в отдельных технологических процессах и составляют основу технологической операции, подчиняются одинаковым кинетическим закономерностям. Эта общность сформулирована в виде общего кинетического закона и объясняется тем, что независимо от природы все эти явления являются проявлениями одних и тех же законов материального мира, которые являются предметом фундаментальных наук (физики, химии, математики, биологии и др.). Поэтому без выполнения требований этих природных законов невозможно обеспечить выполнение главной задачи пищевых производств – производство продукции в максимальном объеме и заданного качества при минимальных затратах материальных, энергетических ресурсов и времени.
Но если в фундоментальных науках придерживание требований этих законов позволяет найти правильеные и точные решения, то в технологии, особенно пищевой, это не всегда возмлжно. Это объясняется тем, что законы фундаментальных наук сформулированы для «идеальных», абстрактных систем, в которых изучается взаимное влияние только ограниченого числа факторов. Действие всех остальных факторов или не учитывается совсем, или учитываются в виде коэффициентов пропорциональности, числовые значения которых зависят от многих факторов. Т.е., при использовании этих законов для решения конкретных задач всегда необходимо вводить условия однозначности: характеристики основных свойств среды (физические, химические, пространственныек и др.), граничные условия, начальные и временные условия и др.в условиях технологическиъх процессов нет возможности создать «идеальные» условия, т.к. значительная часть факторов не управляемые, но от их влияния нельзя абстрагироваться.
Из сказанного выплывает вывод, что законы фундаментальных наук дают лишь качественную характеристику технологических процессов – указывают направление их протекания. А для управления процессами необходима тонная количественная их оценка. Так, для расчета конкретного технологического аппарата и процесса, который в нем происходит, надо, кроме критериальных уравнений, которые указывают на взаимодействие явлений и количество воздействующих факторов, достоверно знать числовые значения коэффициентов тепло- и массопереноса для условий именно этого конкретного процесса, знать константы скоростей протекания реакций именно в конкретном виде сырья в конкретных условиях. А при необходимости оптимизировать параметры процесса необходимо также знать критерий оптимизации и метод достижения поставленной задачи.
Для организации оптимальных условий процесса на всех его этапах необходима количественная характеристика протекания процессов во времени. Для ее получения необходимо проводить интегрирование системы дифференциальных уравнений в частных производных. Такие аналитические решения очень сложные, а в некоторых случаев вообще невозможны. Поэтому в технологической практике при исследовании, проектировании или модернизации процессов для поиска наиболее принятых или оптимальных необходимо анализировать и перебирать большое количество вариантов. Это возможно достичь издавна найденными и аппробированными методами исследования экспериментальных моделей, а также методами, которые базируются на основных технологических принципах организации процессов.
К таким общим принципам относятся: принципы рационального использования сырья, энергии, оборудования, принципы интенсификации процесса, оптимального варианта процесса, утилизации отходов и др.
Принцип рационального использования сырья
Кроме решения главной задачи технологии – максимального производства прлдукции заданнаго качества и назначения при минимальных затратах, при организации пищевых производств необходимо выполнять также ряд обязательных ограничений: безопасность продукции для потребителя, безопасность производства для окружающей среды и работников, целесообразность и экономическая эффективность, т.е. получение для производителя максимальной прибыли. Чаще всего при оптимальном варианте технического и технологического решения процесса делают заключение из размера интегрального показателя эффективности производства – себестоимости единицы продукции. Особенностью большинства пищевых производств является то, что основной, а иногда доминирующей, составляющей (до 60-80%) себестоимости продукции является стоимость сырья. Поэтому его эффективное использование является очень важным в пищевой технологии. Внедрение в пищевых производствах глубокой комплексной переработки сырья на основе безотходных технологий позволит значительно расширить ассортимент продукции, снизить потери сырья, частично решить экологические проблемы производства, а в конечном счете повысить экономическую эффективность работы предприятия.
Наиболее распространенным способом оценки рационального использования сырья является составление материального баланса технологических операций и продуктовых расчетов движения сырья по операциям технологического процесса. При составлении материального баланса операций учитывают все компоненты состава и их теоретически возможный выход на всех технологических операциях. Продуктовые расчеты позволяют учитывать все возможные отклонения выхода продукта от теоретического, что является причиной действия термодинамических, кинетических и других факторов технологического процесса.
Основой продуктовых расчетов являются уравнения материального баланса, который отображает закон сохранения массы. В соответствии с этим законом масса сырья, поступающего на переработку, равна массе продуктов, отходов и потерь в производстве.
или
где Gвх, Gвых, Gотх, Gпот – соответственно массы сырья, готовых продуктов, отходов и потерь для i-го технологического процесса
n, m, k, l – количество компонентов продуктов в входном и выходном потоках.
Принцип рационального использования энергоресурсов и оборудования
Пищевые производства относятся к энергозатратным. В качестве энергоресурсов чаще всего используют горячий водяной пар, горячую воду, , электрический ток, природный газ, твердое и жидкое топливо. Горячий пар и вода являются основными теплоносителями в технологических процессах нагрева, пастеризации, стерилизации, варки, выпаривания, дистилляции, сушки (паровые сушильные установки называют так, потому что сушильный агент нагревается до необходимой температуры паровым калорифером) и др. Электрическая энергия используется в приводах технологических машин и механизмов, в транспортных устройствах, в холодильных установках, сушилках и т.д. При выпечке, обжаривании, копчении, сушке используют природный газ, твердое и жидкое топливо или топочные газы, образующие при их сгорании в термоагрегатах.
Доля стоимости энергоресурсов в себестоимости единицы пищевой продукции может достигать 20-25%. Так, при производстве 1 т мяса затрачивается 50-80 кВт часов электроэнергии и 20-35 т пара, а на 1 тысячу условных банок консервов соответственно 7-34 кВт-час и 160-1090 т пара.в связи с этим крупные перерабатывающие предприятия имеют собственные источники энергообеспечения (котельные, электрические подстанции и др).
Как и в случае с сырьем, основным способом оценки рациональности использования энергоресурсов является составление энергетического баланса. Поскольку, согласно с законом сохранения энергии, сумма всех видов энергии в замкнутой системе является постоянной, общее уравнение энергетического баланса имеет вид:
В пищевых производствах преобладающим видом энергии является тепловая, поэтому чаще всего составляется тепловой баланс. Учитывая тепловой эффект самого процесса и потери энергии в окружвющую среду, тепловой баланс составляют по уравнению:
где Qвх, Qвых, Qпроц, Qпот - соответственно теплота входных и выходных продуктов, теплового эффекта процесса и потерь в окружающую среду –го процесса
Если при проведении процесса используются разные виды энергии (тепловая, электрическая), то применяются соответствующие коэффициенты для перевода других видов энергии в тепловую.
Для характеристики рациональности использования энергии именно на технологические нужды иногда расчитывают коэффициент полезного использования энергии (КПД) по отдельным операциям, стадиям или технологическому процессу вцелом. Он рассчитывается как отношение затрат энергии на проведение технологической операции (стадии, процесса) к общим затратам:
Чтобы повысить КПД и достигнуть экономии материальных и энергоресурсов, в пищевой технологии внедряются прогрессивные ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование. .
Цель принципа рационального использования технологического оборудования - увеличение выхода продукции с единицы площади или объема рабочей зоны аппарата, т.е. увеличение степени использования, загрузки машины. Реализация этого принципа дает возможность снизить число единиц оборудования при постоянном объеме выпуска продукции. Тем самым снижается амортизационная доля себестоимости. Но, наоборот, при одной и той же численности парка оборудования можно увеличить выпуск продукции, себестоимость которой будет снижаться.
Одним из часто используемых способах рационального использования энергоресурсов и оборудования – организация движения технологических потоков по противоточным или перекрестным схемам, когда входной поток сырья в агрегате подогревается теплом выходного потока, температуру которого необходимо снизить. Такие схемы широко используются в конструкциях пастеризаторов, подогревателей, сушилок, ректификационных колонок и др. Другим эффективным способом экономии тепловой энергии является использование вторичных теплоносителей вв виде конденсата, сокового пара или других отработанных теплоагентов на тех технологических операциях, на которых их температура еще достаточна.. по этому принципу работают многокорпусные вакуум-выпарные аппараты.
Существенным фактором рационального использования энергоресурсов и оборудования является также строгое придерживание технологического режима для предупреждения «холостой» работы аппарата или, наоборт, задержки сырья в аппарате больше необходимого времени и т.д. важным средством для экономии энергии в производстве является снижение ее потерь в окружающую среду путем тщательной изоляции паро- и водопроводов, зоны нагрева термоагрегатов, теплоизоляции производственных помощений и т.д.
Принцип интенсификации технологических процессов
Под интенсификацией технологического процесса понимают увеличение скорости его протекания вследствии чего увеличивается производительность в динициу времени.
Согласно общему кинетическому закону этого можно достичь увеличением потенциала процесса, увеличением кинетического коэффициента или одновременным увеличением этих двух факторов. В парктике пищевых производств используют отдельные или все эти способы интенсификации в зависимости от особенностей конструктивного процесса.
При использовании в качестве фактора интенсификации потенциала процесса необходимо иметь в виду, что поведение равновесной системы обусловливается не только значением потенциала, но и значением движущей силы – отдаленностью системы от состояния равновесия:
Х = Х - Хр
где Х – движущая сила
Х - текущий потенциал системы в момент времени ;
Хр – потенциал системы в состоянии равновесия
Исходя из этого уравнения, увеличить движущую силу можно 3 путями: увеличением текущего потенциала; снижением потенциала равновесия или одновременным изменением обоих потенциалов. На практике чаще используется способ, который заключается в максимально возможном увеличении начального потенциала (Хо) при =0. Это достигается за счет увеличения градиентов переноса – градиента температуры, давления, концентрации, напряжения тока или другой переносимой субстанции.
Согласно молекулярно-кинетической теории взаимодействия повышения температцры в зоне реакции приводит к увеличению скорости движения молекул (ионов, атомов), из-за того, что увеличивается вероятность их столкновения и взаимодействия. Кроме того, повышение температуры увеличивает внутреннюю энергию взаимодействующих частиц, а это увеличивает количество эффективных контактов между ними.
Согласно правила Аррениуса-Вант-Гоффа повышение температуры в зоне реакции на 10 0С увеличивает скорость реакции в 2-4 раза. Таким образом, воздействие повышения температуры на скорость процесса носит комплексный характер. Оно влияет как на потенциал, так и на кинетический коэффициент. Проявлением последнего является увеличение коэффициентов диффузии, тепло- и массообмена и др.
Путем повышения температуры интенсифицируют процессы термической сушки, выпаривания, растворения, десорбции и др. для этого повышают температуру в рабочей зоне или предварительным нагревом продуктов, или подогревом рабочей зоны с помощью барботирования горячим паром, змеевиков или обогревательных кожухов. В случае обратных процессов – конденсации, кристаллизации, абсорбции, адсорбции, сублимации увеличения скорости процесса достигают снижением температуры в рабочей зоне. Это возможно путем предварительного охлаждения продукта или непосредственным охлаждением рабочей зоны аппарата.
Значительно большего эффекта можно достичь путем одновременного объединения воздействия температуры и давления. Чаще такое объединение используется при проведении процессов, часть или все компоненты которых находятся в газовой фазе. Следствием увеличения давления является повышение парциальных давлений газовых компонентов, что равнозначно увеличению их концентрации.
Для гомогенного процесса в газовой фазе скорость реакции прямо пропорциональна
??????????