История РАЗВИТия пищевой инженерии

С развитием пищевого производства последовательно совершенствуются технические средства и технологические приемы. Так, уже в XVIII веке вместо старых толкачных маслобоек в крупных молочных хозяйствах постепенно начинают применять более производительные вращающиеся, качающиеся и ударные устройства. Весьма примитивные, они тем не менее означали несомненный шаг вперед на пути к машинному производству.

Первый маслодельный завод был открыт в Вологодской губернии в 1871 году в имении «Фоминское», где ныне находится Вологодский молочный институт. В 1875 году в Вологодской губернии работало 11 небольших маслодельных заводов, спустя два десятилетия – 376, а в 1898 году – уже 648. В сельской местности появились предприниматели, которые скупали у крестьян и помещиков молоко и перерабатывали его на масло и сыр.

Развитию пищевой промышленности способствовало завершение в 1899 году строительства Транссибирской железнодорожной магистрали. И если в 1894 году в селе Утятском вблизи Кургана был построен первый в крае маслодельный завод, то через пять лет их было уже 275, а в 1913 году – 4097.

Большой вклад в развитие молочной промышленности внёс Вильгельм Флейшман, который стал одним из первых теоретиков молочного производства. Многие его труды были широко известны в России. В 1845 году П. А. Ильенков подготовил научную работу «Рассуждения о химическом процессе приготовления сыров». Важную роль в становлении отечественного молочного дела сыграл Н. В. Верещагин (1839-1907) – брат знаменитого русского художника-баталиста В. В. Верещагина, видный организатор молочного производства. На рубеже двух веков промышленник А. В. Чичкин создал в Москве на Новорязанской улице крупное молочное предприятие. Этот завод (существующий в реконструированном виде и поныне) за сутки перерабатывал до 60 тонн молока и выпускал пастеризованное молоко, сливки, сметану, простоквашу, творог.

И однако же по процветавшим фирмам Чичкина и Бландовых никак нельзя судить о состоянии молочного, да и пищевой промышленности в целом, в царской России. Тогдашняя молочная отрасль, как говорится, еще не вышла из пеленок. Преобладали мелкие кустарные маслодельные и сыроваренные предприятия. К 1914 году в стране было всего шесть заводов собственно промышленного типа, имевших возможность перерабатывать до 100 тонн сырья в сутки. Но и этой слаборазвитой отрасли и исходной ее базе – молочному скотоводству – в годы Первой мировой войны был нанесен значительный ущерб [7].

Огромное значение для развития пищевой промышленности имели исследования великого французского ученого Луи Пастера. В начале второй половины XIX века Луи Пастер занимался изучением микроорганизмов и вскоре пришел к выводу, что процессы брожения и гниения вызываются деятельностью микробов. Более того, он показал, что каждый вид брожения вызывается определенным возбудителем, установив тем самым понятие специфичности микроорганизмов. В 1857 году появилась первая из тех статей Пастера, посвященных этому вопросу, что составили эпоху в истории науки. Она была посвящена молочнокислому брожению. Спустя год последовало открытие сложных явлений при спиртовом брожении.

В период изучения природы брожения Пастер по просьбе французских виноделов занялся изучением «болезней вина», наносящих огромный хозяйственный ущерб. Ученый установил, что причиной порчи продукции являются опять-таки специфические микробы, нарушающие нормальный процесс брожения, и разработал действенный способ борьбы с этими мельчайшими организмами, обнаружив, что нагревание вина до 60 градусов обусловливает их гибель и обеспечивает длительный срок хранения в закрытых сосудах.

Так был введен в практику метод предохранения продуктов от порчи, названный в честь исследователя пастеризацией. В общем смысле этот процесс может быть определен как «тепловая обработка, которая обеспечивает уничтожение нежелательных микроорганизмов и при этом не ухудшает потребительской ценности продукта». Эффект пастеризации зависит не только от температуры нагревания, но и от времени, в течение которого продукты выдерживают при данной температуре.

Для полного же уничтожения всех видов микрофлоры молока применяют другой вид тепловой обработки – стерилизацию. Нагрев до 140 (а иногда и выше) градусов надежно подавляет жизнедеятельность микробов и их спор. Однако столь высокие температуры в сочетании с их продолжительным действием разрушают ряд компонентов молока, определяющих его вкусовые и питательные свойства.

Изобретением способа консервирования продуктов мы обязаны скромному французскому кондитеру Николя Франсуа Апперу. Свое открытие он сделал случайно, обнаружив, что если прокипятить плотно закрытую бутылку с соком, то ее содержимое долго не портится. Кондитер оказался неплохим исследователем: многочисленные опыты убедили его в перспективности метода, а также в том, что припасы удобнее готовить в жестяных запаянных банках – при кипячении они не лопаются.

В 1804 году на одной из улочек Парижа Аппер открыл магазин, в котором продавалась «разная снедь в бутылках и коробках». При магазине действовала небольшая фабрика по производству этих продуктов. Несколько лет спустя Аппер издал книгу «Искусство консервирования растительных и животных субстанций на долголетний период». В ней изобретатель излагал рецепты приготовления новых блюд, способы укупорки бутылок и металлических коробок и ряд других рекомендаций.

Известием о консервировании продуктов прежде всего заинтересовалась интендантская служба французской армии, и вскоре их производство приобретает промышленный характер — сначала во Франции, потом и в других странах. А Николя Апперу в 1809 году французские власти с присущей тому времени склонностью к преувеличениям и пышности присвоили громкий титул «Благодетель человечества».

Из молочных консервов наибольшее распространение получили сгущенное молоко с сахаром, сгущенное стерилизованное молоко без сахара и сухое молоко, производство которых было налажено в середине прошлого века. Первый аппарат для сгущения молока был изобретен в 1849 году в США. Технология производства «сгущенки» быстро совершенствовалась. Уже в 1856 году на заводе, построенном в Нью-Йорке, стали выпускать сгущенное молоко с сахаром, в сущности, не отличающееся от современного. Десятилетием позже сгущенное молоко начали вырабатывать и в Европе.

В России первый, очень небольшой, завод по выпуску молочных консервов был построен в 1881 году около Оренбурга. Затем появились еще два аналогичных предприятия. Развитие и становление отечественной молочноконсервной промышленности целиком относят к послереволюционному периоду. Сейчас это мощная специализированная индустриальная отрасль, производящая в массовых масштабах необходимый ассортимент продукции [7].

До 1918 года жизненный уровень куда больше зависел от механизации сельских хозяйств, чем от других поразительных изобретений, таких как радиосвязь или авиация. Переход от ручной обработки земли к машинной, наметившийся во второй четверти XIX веха, впервые в истории человечества стал сулить обилие продовольствия для всех. Более того, механизация сельского хозяйства была базой роста цивилизации с высокоразвитой промышленностью, в том числе и пищевой.

Хотя уже появились молотилки, плуг Фаулера,  паровой  трактор,  комбайн 90-х  годов  и проводились дальнейшие опыты в этом направлении, основной тягловой силой на сельскохозяйственных работах до самого конца XIX века все еще оставалась лошадь.

Ситуацию изменило создание немецким изобретателем Н. Отто в 1876 г. двигателя внутреннего сгорания.

Первые попытки  построить трактор с двигателем внутреннего   сгорания были предприняты в США в 1890 году. Через  несколько лет на этот путь вступила и Англия. Трактор гусеничного типа был усовершенствован в начале XX века,  а  появление легкого бензинового трактора приблизительно в 1910 году заложило основу для вытеснения лошади. В США  переход от  конной тяги к тракторной начался накануне 1914 года, а в Англии он  затянулся до появления  фордовского трактора в 1917 году [8].

III. CОВЕТСКИЙ И ПОСТСОВЕТСКИЙ ПЕРИОД

Сельскохозяйственная техника наряду с другими достижениями  в области земледелия  создавала  основу цивилизации с высокоразвитой промышленностью. Чтобы прокормить одного городского жителя, в 1787 году требовался прибавочный продукт, производимый 19 фермерами (данные по США). К 1930 году те же 19 сельскохозяйственных рабочих давали столько прибавочного продукта, что им можно было прокормить уже 66 горожан. В первом случае нельзя было оторвать от земли столько людей, сколько требовалось для создания крупной промышленности. Во втором же случае на каждого сельскохозяйственного рабочего приходилось по 3,5 человека, участвующих в производстве промышленных товаров, на транспорте и т. п. Все это намного улучшало условия жизни людей [8].

Быстро растущее применение электричества во всех отраслях техники – с 1900 по 1957 гг. выработка электроэнергии увеличилась в 100 раз – тоже способствовало быстрому развитию промышленности [5].

В годы между двумя мировыми войнами намного расширился круг материалов, из которых делаются машины. Внедрялись новые сплавы, прежде всего разнообразные легкие сплавы на основе алюминия. Быстро разрабатывались пластики, превосходящие металлы в некоторых областях машиностроения.

Самая интересная особенность прогресса в период между двумя мировыми войнами заключалась в усилении тенденции к изучению возможностей высокоавтоматизированного машинного оборудования. Эта тенденция была предвестником той волны повальной автоматизации, которая в наши дни захлестнула многие страны.

Неуклонно совершенствовались и все шире применялись разнообразные станки, создававшиеся на протяжении предшествовавшего столетия. Однако коренных нововведений в этот период было мало. Происходило даже некоторое замедление темпов появления изобретений [8].

Пищевая промышленность в послереволюционный период прошла большой и сложный путь развития. Испытав все «перегибы» коллективизации сельского хозяйства и понеся громаднейший урон во второй мировой войне, отечественное животноводство лишь к 1959 году достигло по численности поголовья молочного скота уровня 1928 года, то есть «доколлективизационного» уровня. Но производство сельхозпродукции росло от пятилетки к пятилетке, хотя это и обеспечивалось в основном за счет экстенсивных факторов развития. Достаточно сказать, что много лет по валовому производству молока и животного масла наша страна занимала ведущие в мире позиции. Но производство сотен миллионов тонн продукции, расширение ассортимента и улучшение качества ставят перед пищевым машиностроением новые сложные задачи, требует решения вопроса о масштабных качественных преобразованиях в отрасли, о ее переводе на интенсивные пути развития.

Все направления пищевого машиностроения развивались в бешеном темпе, огромное количество учёных, разработчиков, изобретателей внесли свой бесценный вклад в их развитие. Не будем рассматривать все отрасли пищевой промышленности, затронутые этим процессом. Размер работы позволяет рассмотреть лишь развитие инженерной мысли на примере перемешивающих устройств.

Что касается перемешивающих устройств, то, как уже было сказано выше,  их конструктивное оформление, сложившееся более двух тысяч лет назад и являющееся наиболее рациональным, до сих пор не претерпело принципиальных изменений. В настоящее время в промышленности применяются различные модификации аппаратов для перемешивания. Объем аппаратов с мешалками составляет от 10 дм3 до 2000 м3. Известны устройства, обеспечивающие перемешивание в бетонных сооружениях объемом несколько сотен тысяч кубических метров. Разработан также ряд специальных устройств для перемешивания (петлевые реакторы, статические смесители, планетарные мешалки и т. п.). Однако в подавляющем большинстве случаев конструкция аппаратов для перемешивания соответствует традиционной схеме.

Принципы   современного   конструктивного   оформления   процесса перемешивания сложились в период становления химической технологии (конец XIX — начало XX  века).  Однако  методы инженерного расчета  перемешивания начали разрабатываться значительно позже,   и   справочные   пособия   1930-х   гг., включавшие, например, методики расчета процессов абсорбции и ректификации, еще не содержали сведений о расчете мешалок. Систематическое изучение процесса перемешивания началось в середине 1940-х гг. на основе применения методов теории подобия.  Работы,  выполненные в последующие  годы   исследователями   научных  школ,   возглавляемых В.В. Кафаровым, П. Г. Романковым, И.С. Павлушенко, А.Н. Плановским,  С.Я.  Гзовским  в  СССР,  Дж.   Раштоном,  Дж. Олдшу, А.Б. Метцнером в США, П. Кольдербэнком в Великобритании, С. Нагата в Японии, X. Штейдлом в ЧССР,  раскрыли основные закономерности  процесса  перемешивания  и заложили основы методов расчета аппаратов с мешалками. Результаты этих работ обобщены в известных монографиях П.Г. Романкова («Гидравлические процессы химической технологии», 1947 г.), В.В. Кафарова («Процессы перемешивания в жидких средах», 1949 г.), П. Штербачека и П. Тауска («Перемешивание в жидких средах», 1961 г.), Ф. Холланда и Ф. Чапмана («Химические реакторы и смесители для жидко-фазных процессов», 1974 г.), Ф. Стренка («Перемешивание и аппараты с мешалками», 1975 г.), Э.А. Васильцова и В.Г. Ушакова («Аппараты с   перемешивающими   устройствами»,   1979   г.).

С 1960-х гг. в подходе к исследованию и математическому описанию перемешивания наметились новые тенденции, характеризующиеся более глубоким проникновением в физический механизм процесса. При анализе перемешивания все чаще стали использоваться положения полуэмпирической теории турбулентности Прандтля-Кармана, теории локально изотропной турбулентности Колмогорова-Обухова, а также методы физико-химической гидродинамики. Важным этапом в развитии исследований перемешивания явилось применение методов химической кибернетики и системного анализа, разработанных академиком В.В. Кафаровым и его школой. Научные результаты, полученные в этот период, позволяют рассматривать различные стороны процесса с единых теоретических позиций и на этой основе приблизиться к созданию единой системы методов расчета гидродинамики, тепло- и массопереноса. Использование общих закономерностей турбулентного и ламинарного течения жидкостей применительно к частным случаям течения перемешиваемой среды открывает возможности для учета особенностей конструкции аппаратов и мешалок и существенно расширяет область применения методов расчета.

Основными элементами таких аппаратов являются корпус, привод, уплотнение, вал и мешалка. Конструктивного вариант аппарата выбирается в каждом конкретном случае, применительно к требованиям технологического процесса.