Особливості харчових продуктів та їх виробництва

Безперервними або поточними  називають технологічні процеси, при яких сировини надходить в агрегат, а продукція виводить з нього безперервним потоком. Їх перевагою є те, що вони не мають простою агрегатів і працюють в сталому, стабільному режимі. Лінії автоматизовані і мають більшу продуктивність, ніж періодичні. Недоліком цього способу є потреба у великій кількості машин і агрегатів, у значних виробничих площах, а тому початкова вартість і терміни окупності набагато більші, ніж у періодичних процесів, на них неможлива швидка зміна асортименту продукції.

Комбіновані процеси – це комбінація періодичних і безперервних процесів, яка дозволяє уникнути недоліків та використовувати переваги.

В залежності від агрегатного стану сировини або проміжного продукту процеси поділяються на гомогенні і гетерогенні.

Гомогенні – це процеси, коли взаємодіючі в робочій зоні компоненти знаходяться в однаковому агрегатному стані (газовому, рідинному або твердому).

Гетерогенні – це коли стан компонентів різний, тобто коли між компонентами є межі поділу фаз. Можливі різні комбінації фаз в цих процесах – газ і тверде тіло, газ і рідина, тверде тіло і рідина, наявність усіх трьох фаз. Частіше мають місце процеси у рідкій фазі. Інколи діючі речовини заздалегідь переводять у рідку фазу розчиненням. Так, швидкість процесу соління при консервуванні плодів, м’яса, риби розсолом значно більша, ніж при сухому посолі. Швидкість перебігу гетерогенних процесів найменша, але в технології накопичений певний досвід по інтенсифікації цих процесів.

У багатьох технологічних процесах має місце  тепловий ефект, тобто виділення або поглинання тепла з оточуючого середовища.

Якщо відбувається виділення  теплоти, тобто тепловий ефект позитивний, такий процес називають екзотермічним, при поглинанні теплоти - ендотермічним. Більшість процесів у харчовій промисловості є ендотермічними. Для їх проведення необхідно підводити теплоту в робочу зону машини. Таке підведення здійснюється шляхом нагрівання сировини або проміжного продукту гарячою водою, водяною парою, газами від загоряння палива, електронагрівальними засобами та іншими способами. Для економії енергоресурсів, такий підігрів здійснюється вторинними енергоресурсами – вторинною парою, гарячим конденсатом, гарячим готовим продуктом, який потрібно охолоджувати.

За напрямком  руху матеріальних та енергетичних потоків у робочій зоні машини, технологічні процеси поділяються на прямопоточні, протипоточні та перехресні.

До прямоточних відносяться процеси, коли потоки матеріальний та енергетичний ідуть у одному напрямі, до протиточних або зустрічних відносяться процеси – коли потоки рухаються у взаємно протилежних напрямах, при перехресних – рухаються перпендикулярно один до одного.

За кратністю оброблення сировини або проміжного продукту, процеси поділяються на відкриті, коли матеріальний потік або сировина проходить через технологічну машину або агрегат один раз, замкнені – коли матеріальний потік проходить повторно через ту ж машину, і комбіновані – коли окрема частина матеріального потоку багато разів проходить через одну і ту ж машину.  
В якості прикладу замкненого процесу може слугувати повернення помийного агрегату частини сировини, яка не пройшла інспекцію за якістю миття, комбінованого процесу – багаторазове використання розчинника при екстракційному способі вилучення олії з насіння соняшнику, плодового соку шляхом екстракції з використанням екстракційних апаратів.

Складовими  елементами технологічного процесу є не тільки окремі операції або стадії, а і зв’язки між ними. Стабільне функціонування процесу визначається характером технологічних зв’язків між операціями, стадіями та гілками процесу.

В залежності від просторого розміщення машин  і агрегатів у складі технологічної лінії, розрізняють технологічні процеси нерозгалужені; розгалужені, що сходяться; розгалужені, що розходяться; розгалужені з паралельними гілками.

Нерозгалужена лінія має послідовно розташовані  машини та агрегати, на яких виробляють один вид готової продукції. Наприклад, лінії з виробництва пастеризованого молока, заморожених плодів, ягід, м’яса та риби.

Якщо для виробництва  готової продукції використовується декілька видів сировини, які проходять попередню обробку на окремих гілках, а потім комбінуються у складі одного продукту, такий процес називається розгалуженим з гілками, що сходиться. Наприклад, процес хлібовипічки, виробництва  м’ясних та рибних консервів, твердих сирів.

Коли з одного виду сировини виготовляється декілька видів готового продукту на окремих гілках лінії, процес називається розгалуженим з гілками, що розходяться. Наприклад, технологічні процеси виготовлення фруктових та овочевих консервів з одного виду сировини (яблучний сік, компот, пюре, повидло).

Розгалужений  процес з паралельними гілками має місце тоді, коли у безперервному процесі окремі операції мають періодичний характер. Наприклад, процес консервування, коли на лінії використовуються автоклави періодичної дії. Відділення стерилізації має кілька паралельних дільниць стерилізації, які працюють по черзі. Коли одна дільниця працює інші підготовлюються до стерилізації або розвантажуються.

Системний або комплексний підхід до удосконалення технологій.

Сутність системного або комплексного підходу полягає  у тому, що досліджуваний об’єкт – це може бути процес, лінія, цех або підприємство, розглядається як єдина система, що складається з взаємопов’язаних елементів. Цей підхід використовують для оптимізації просторової структури агрегатів, дільниць або цехів, для оптимізації витрат матеріальних та енергетичних ресурсів, для вибору найбільш раціональних форм організації виробничих систем і їх керованості для забезпечення стабільності і надійності їх роботи.

 

1. Харчове виробництво, як хіміко-технологічна система

Хіміко-технологічна система – це сукупність пов’язаних між собою машин і агрегатів, в яких здійснюються одиничні технологічні процеси, необхідні для перетворення вихідної сировини в готовий продукт заданої якості і призначення.

Саме ці перетворення складають фізико-хімічну сутність одиночного процесу, а тому через створення певних умов перебігу цих перетворень, можна керувати технологічною операцією. Із значної кількості різноманітних перетворень, які відбуваються у харчовій сировині та проміжних продуктах під час процесу виробництва, можна виділити такі, що є типовими і повторюються  в багатьох харчових виробництвах. У технології вони отримали назву типових технологічних процесів.

Комбінація  процесів, яка відповідає одиничному технологічному процесу, що відбувається в машині або агрегаті, називається технологічним оператором. При проектуванні або моделюванні технологічних ліній, їх складові у вигляді операцій розглядаються як технологічні оператори, через зміну вхідних та вихідних потоків яких здійснюється контроль та регулювання технологічного процесу.

До основних відносяться технологічні оператори  цільового призначення – хімічних, біохімічних, мікробіологічних перетворень, а також суттєвих фізичних змін таких, як – подрібнення, змішування, розділення.

Допоміжними операторами вважаються такі, що відображають енергетичний та агрегатний стан технологічних потоків – охолодження, нагрівання, витримці при певній температурі та ін.

Взаємодія технологічних операторів у складі системи відбувається за допомогою технологічних зв’язків, які представляють собою сукупність матеріальних і енергетичних потоків.

Серед багатьох варіантів поєднання операторів у технологічну систему, виділяється п’ять основних типів технологічних зв’язків – послідовний, послідовно-обвідний, паралельний, перехресний та зворотній.

Послідовним називають такий тип технологічних зв’язків, коли потік проходить через кожний оператор тільки один раз. Технологічні лінії, які будуються за допомогою такого типу зв’язків, називають відкритими. Такий зв'язок використовується частіше за все при об’єднанні декількох машин у технологічний агрегат, в якому послідовно виконується одна і та ж операція, або суміжні операції. Наприклад, послідовне миття сировини у мийному агрегаті, розмелювання зерна на валкових млинах, протирання рослинної сировини, уварювання томатної пасти у вакуум-випарних апаратах.

При послідовно-обвідному  типу зв’язків технологічний потік розгалужується на декілька потоків і частина з них минає один, або декілька, наступних операторів. Такий тип зв’язку використовується в харчових виробництвах при обробці сировини різними методами. Так, при виробництві соняшникової олії частина проміжного продукту піддається прямій екстракції. А інша проходить спочатку через прес для попереднього вилучення олії.

При паралельних  типу зв’язків технологічний потік розгалужується на дві-три паралельні гілки, на яких гілки потоку проходять всі оператори, не минаючи жодного з них. Такий тип зв’язку використовують у разі наявності в складі процесу окремих періодичних операцій у випадку отримання з одного виду сировини різних продуктів. Створення таких паралельних дільниць. незважаючи на додаткові витрати, дозволяє істотно підвищити продуктивність технологічної лінії і безперервність процесу. Наприклад, дільниця стерилізації з двох або трьох ліній автоклавів у консервному виробництві.

Перехресним називають зв'язок, коли один технологічний матеріальний потік перехрещується за напрямом руху з енергетичним. Цей тип зв’язку використовують для більш ефективного використання виробничих площ та енергоресурсів. За таким типом зв’язків здійснюється, наприклад, висушування макаронних виробів, плодів, овочів, дрібної риби на паралельних сітчастих конвеєрах, які продуваються потоком теплого повітря, або процес охолодження м’ясних туш, ковбасних виробів, або миття сировини методом за допомогою душових приладів.

Зворотнім зв’язком називають такий, при якому технологічний потік розгалужується на декілька частин і частина з них повертається на попередню або декілька попередніх операцій. Наприклад, при виробництві рибних консервів, коли у попередньо підготовлені порожню банку автомат спочатку наливає половину рецептурної кількості заливи, потім укладається риба і банка знову повертається до автомату з заливою, де в банку наливається друга половина заливи, і банка закупорюється. Системи із зворотнім зв’язком забезпечують ефективне використання устаткування, енергії, підвищенню швидкості процесу та оптимізації технологічних режимів.

2. Умови та закони рівноваги технологічних систем

Кожна технологічна операція є системою типових процесів –  фізичних, хімічних, біологічних), в  ході яких сировина або проміжний  продукт поступово змінює свої характеристики. В той же час кожен з цих типових процесів можна розглядати як сукупність взаємодіючих об’єктів. Наприклад, операція миття сировини у мийній машині є системою таких взаємодій:

– взаємодія сировини з робочими органами і стінками машин;

– взаємодія окремих  частин сировини між собою;

– взаємодія сировини з водою;

– взаємодія води з  робочими органами та стінками машини.

В залежності від природи  явищ, які відбуваються при взаємодії, розрізняють:

– фізичні системи  взаємодіючих сил, коли відбуваються суто фізичні зміни;

– хімічні системи. коли взаємодії визначаються хімічними  закономірностями;

– фізико-хімічні системи;

– біологічні і мікробіологічні  системи;

• біохімічні системи.

Згідно з  вимогами другого закону термодинаміки, будь-яка система взаємодіючих об’єктів прагне досягти такого стану, коли запас її внутрішньої енергії є мінімальним, а ентропія максимальна. Таким станом для взаємодіючих систем є стан рівноваги, при якому вплив одних факторів компенсується дією інших.

(Ентропія – це міра безпорядку в системі. Повна упорядкованість часточок у системі (наприклад, у кристалах) відповідає мінімуму ентропії, повний безпорядок – максимуму. Наприклад, ентропія водяного пару більше, ніж ентропія води, а ентропія води більше, ніж ентропія льоду).

Для технологічних систем, як сукупності операцій, стан рівноваги встановлюється, коли вихідні потоки сировини, що надходить на переробку, врівноважується вихідними потоками готової продукції та потоками втрат сировини і проміжного продукту. Рівноважний стан притаманний як окремим операціям, так і всьому технологічному процесу у цілому.

Рівновага систем або їх частин, є динамічним станом, тобто вона може встановлюватись  лише за певних умов. При зміні умов рівновага порушується, а система змінює свій стан до тих пір, доки знову не встановиться рівновага, але вже на нових змінених умовах існування системи. Для більшості фізичних, хімічних та інших систем можливість і умови рівноважного стану визначаються законом рівноваги – правилом фаз Гіббса, який описується наступним рівнянням:

                                         S = k + n – Ф

де: S – кількість ступенів свободи системи (мінімальна кількість факторів, які можна змінювати незалежно один від одного без порушення системи);

      k – кількість незалежних елементів системи;

      n – кількість зовнішніх факторів, що впливають на стан рівноваги системи;

      Ф –  кількість фаз у системі.

Рівноважним системам, в яких може встановлюватися стан рівноваги, притаманні загальні закономірності, серед яких важливе значення мають для технології наступні:

1. Поведінка рівноважної системи обумовлюється запасом її внутрішньої енергії, який вимірюється потенціалом і рушійною силою системи.

Під потенціалом  розуміють відстань, тобто віддаленість, системи в певний момент часу від її рівноважного стану. Рушійною силою є різниця потенціалів системи в початковому, або проміжному стані. Чим далі віддалена система від стану рівноваги на початку процесу, тим більший її потенціал і рушійна сила, тим з більшою швидкістю система рухається до рівноважного стану. Ця закономірність широко використовується в технології.