Харчове виробництво, як хіміко-технологічна система. З основами розрахунку біологічної цінності харчових продуктів

зовнішнього фактора, відбуваються зміни, що спрямовані на послаблення дії цього фактора". Цей принцип є проявом закону інерції та другого закону термодинаміки.

Для ілюстрації можливостей його застосування для управління перебігом процесу в рівноважній системі розглянемо приклад модельної екзотермічної реакції синтезу продукту Z з вихідних речовин X та У, яка відбувається в газовій фазі:

              K1

                                                        ТХ + пУ ↔ РZ + Q                                      (1.2)

              К2

де Q – тепловий ефект процесу;

Т, п,р –Стехіометричні коефіцієнти;

K1,к2 – Константи швидкостей відповідно прямої та зворотної реакцій.

Відомо, що основними факторами впливу на хімічні процеси є темпе-ратура і концентрація реагентів, а для реакцій з участю газів, ще й тиск. Виходячи з цього, для збільшення виходу кінцевого продукту реакції Z необхідно, або:

– знизити температуру в зоні реакції;

– збільшити концентрацію однієї або обох вихідних речовин;

– зменшити концентрацію продукту реакції, виводячи його з зони реакції;

– підвищити тиск в зоні реакції.

Економічна ефективність харчових виробництв значною мірою залежить від швидкості перебігу технологічних процесів. Наука, яка вивчає механізм та швидкість зміни характеристик процесу, називається кінетикою. В її основі лежать закономірності, що обумовлюють швидкість процесів. Знання цих кінетичних закономірностей необхідно для розрахунку параметрів одиничних технологічних процесів і апаратів, у яких вони відбуваються.

Теоретичними та практичними дослідженнями великої кількості різно-манітних процесів було встановлено Загальний кінетичний закон: швидкість процесу прямо пропорційна потенціалу і зворотно пропорційна опору системи. Виходячи з цього визначення, загальне кінетичне рівняння можна записати в такому вигляді:

 

                                                    І = Х/R ; або І = Х*1/R,                                 (1.3)

 

де I – швидкість процесу; X – потенціал системи;

R – Опір системи;

Величину 1/R можна замінити зворотною до неї величиною провідності – І, тоді рівняння отримає вигляд:

 

                                   І=L*Х.                                                  (1.4)

 

Маючи дані про потенціал системи, або його рушійну силу, на підставі цього загального кінетичного рівняння можна отримати розрахункові рівняння для будь-якого технологічного процесу. Нагадаємо, що під потенціалом системи розуміють міру відхилення системи від рівноважного стану, а рушійною силою процесу – різницю потенціалів у різних станах системи.

Їх визначають через градієнти температури, тиску, концентрацій. Провідність (L) системи, називають коефіцієнтом швидкості процесу, або кіне-тичним коефіцієнтом. Під кінетичним коефіцієнтом розуміють швидкість процесу, потенціал якого дорівнює одиниці. Це коефіцієнти тепловіддачі, теплопровідності, константи швидкості реакції та інші. Вони є похідними від багатьох факторів: природи явищ, умов проведення процесу (режимів), від властивостей учасників процесу і т. ін., тобто є змінними.

Якщо досліджуваний конкретний процес достатньо вивчений і його можна описати диференціальним рівнянням або системою таких рівнянь, то характеристики процесу знаходять аналітичними методами – методами математичного моделювання процесу. За допомогою сучасних ЕОМ системи диференціальних рівнянь можуть бути обчислені. На жаль, для багатьох технологічних процесів харчових виробництв ці методи не можуть бути використаними через те, що процеси дуже складної природи і не можуть бути точно описані диференціальними рівняннями. Тому для розрахунку параметрів цих процесів використовують критеріальні рівняння, в яких велику кількість змінних диференціального рівняння замінюють обмеженою кількістю без-розмірних комплексів змінних (критеріїв). Такі рівняння є значно простішими для обчислення і тому широко використовуються.

Критеріальне рівняння для конкретного складного процесу може бути складено двома шляхами: або на підставі теорії подібності з системи диференціальних рівнянь, які не мають аналітичного рішення, або на підставі – теореми методом аналізу розмірностей. Перший шлях використовують для розрахунків відомих процесів, а другий – у випадку нових або мало вивчених процесів.

Після складання критеріального рівняння з їх допомогою визначають подібні умови однозначності процесу і створюють фізичну модель – спрощену подібність реального процесу. На моделі виконується серія дослідів, метою яких є знаходження числових значень кінетичних коефіцієнтів. Такий спосіб їх обчислення отримав назву фізичного моделювання, оскільки при ньому вико-ристовуються фізичні моделі. Отримані за допомогою критеріальних рівнянь параметри в подальшому використовують для проектування реального процесу або апарату. Ці розрахунки є завданням навчальної дисципліни "Процеси і апарати харчових виробництв".

 

1.2. Фізико-хімічна кінетика

 

Кінетичні закономірності широко застосовуються при вивченні фізичних, фізико-хімічних, хімічних, біологічних та інших явищ, що мають місце в харчових технологіях. В залежності від природи явищ розрізняють фізичну, фізико-хімічну, хімічну та біологічну кінетику. Оскільки в складних за хімічним складом об’єктах, якими є харчова сировина, під час переробки або зберігання дуже важко відокремити фізичні і фізико-хімічні процеси, то їх кінетичні закономірності вивчає фізико-хімічна кінетика. Отже, її предметом є закономірності таких поширених у технології процесів, як подрібнення, розділення, нагрівання, охолодження, дистиляція, кристалізація, розчинення, перемішування, сушіння тощо. Для багатьох з них кінетичні закономірності відомі як класичні закони фізики. Наприклад, для цілого класу теплообмінних процесів швидкість переносу теплоти описується законом Фур‘є: "кількість тепла, яке переноситься в певному середовищі, прямо пропорційна добутку градієнту температури на тривалість процесу". Математичним виразом цього закону є рівняння:

 

                                                          Q = λ*dt/dx τ,                                              (1.5)

 

де Q – кількість теплоти;

Λ – коефіцієнт теплопровідності;

Dt/dx – градієнт температури;

τ – тривалість процесу.

Для класу масообмінних (молекулярно дифузійних) процесів швидкість переносу речовини характеризується законами Фіка, перший з яких описується рівнянням:

 

                                                           G = D*dc/dx τ,                                             (1.6)

 

де G – кількість речовини;

D – коефіцієнт дифузії;

dc/dx – градієнт концентрації.

Подібний математичний вираз мають інші кінетичні закони фізики: для фільтраційного переносу речовини – закон Дарсі; для переносу кількості руху – закон Ньютона; для швидкості розвитку деформації твердих тіл – закон Гука; для переносу електричних зарядів –закон Ома та інші. Неважко помітити, що ці закони є проявленнями дії загального кінетичного закону. В наведених вище рівняннях коефіцієнти λ і D є кінетичними коефіцієнтами, що характеризують природу явища і учасників процесу, а добуток градієнтів на тривалість процесу є не що інше, як потенціал процесу.

Незважаючи на ясний фізичний смисл і простоту рівнянь, вони не можуть бути використані для технологічних розрахунків тому, що характеризують "миттєвий" стан процесу, тобто стан системи в певний момент часу, в певній точці середовища. А тому для характеристики процесу в цілому треба інтегрувати ці рівняння, задаючи чисельні значення умов однозначності параметрів, які постійно змінюються, оскільки процес нестаціонарний, що практично неможливо.

Більше того, в технологічних об’єктах під час переробки одночасно відбуваються декілька складних процесів, які взаємно впливають один на одного. Наприклад, під час сушіння сировини (плоди, овочі, зерно, м’ясо і т. ін.) в ній мають місце і процеси переносу теплоти, і переносу речовини (вологи). Обидва процеси впливають на перебіг суміжного, а тому цей вплив необхідно враховувати.

Теоретично цей взаємний вплив суміжних процесів визначається теоремою Онзагера, згідно з якою "якщо і процес відчуває вплив суміжного процесу K з потенціалом Хк, то і процес K відчуває вплив процесу і з потенціалом Xi". Виходячи з цієї теореми, кінетичні рівняння для обох процесів будуть мати такий вигляд:

 

Для і-го процесу

 

                                                   Ii = LІХІ + LІкХк ;                                            (1.7)

 

для k-го процессу

 

                                                    Ik = LkХK + LkІХі                                           (1.8)

 

де Ii, ІK – швидкість процесів І та К;

ХI Хк – потенціали процесів І та К;

Li, Lk – кінетичні коефіцієнти процесів І та К;

Lik, LkІ – кінетичні коефіцієнти взаємного впливу процесів ("взаємні" кое-фіцієнти).

Крім вирішення головного завдання технології – максимального вироб-ництва продукції заданого призначення і якості при мінімальних витратах, при організації харчових виробництв необхідно виконувати також низку обов’язкових обмежень, а саме: безпечність продукції для споживача, без-печність виробництва для довкілля та працюючих на ньому, суспільна доцільність та економічна ефективність, тобто одержання для виробника максимального прибутку. Частіше всього про оптимальність варіанту тех.-нічного і технологічного рішення процесу роблять висновок з розміру інтегрального показника ефективності виробництва – собівартості одиниці продукції. Особливістю більшості харчових виробництв є те, що основною, іноді домінуючою, складовою (до 60 – 80 %) собівартості продукції є вартість сировини. Тому ж природно, що її ефективне використання є надто важливим в харчовій технології.

Раціональне використання сировини і матеріалів харчового виробництва залежить від багатьох факторів, в першу чергу, від їх відповідності меті виробництва, від їх якості і безпеки, від ступеню переробки, від стану технологічного обладнання, рівня технології та інших. Відповідність сировини меті виробництва означає її придатність для ефективної переробки в певні (завдані) види продукції певного призначення та рівня якості. Наприклад, якщо завданням консервного виробництва є виготовлення маринованих томатів, то до сировин вирішальними вимогами будуть однорідність томатів з розміром, формою, забарвленням, ступенем стиглості. Якщо ж виробничим завданням передбачений випуск томатної пасти або пюре, то вирішальними показниками стають вже не розмір і форма, а вміст сухих речовин, кількість насіння та ступінь стиглості. При недотриманні цих вимог вихід готової продукції буде зменшуватись, а собівартість зростати. Тому при формуванні виробничих планів і виборі номенклатури продукції необхідно обов’язково виходити з наявності відповідної для цього сировини, а при обмеженостях вибору номенклатури – формувати сировинну базу саме під задану номенклатуру.

Надзвичайно впливовим фактором на ефективність використання є якість та безпечність продовольчої сировини. Від них безпосередньо залежать якість,безпечність і собівартість готової продукції. Основними критеріями якості ібезпеки харчової сировини є: вміст корисних компонентів, наявність сторонніх, у тому числі і шкідливих, домішок, наявність дефектів, пошкоджень, хвороб, що ведуть до зниження якості продукції, збільшення відходів і втрат сировини.

Вміст корисних компонентів (або компонента) у сировині визначає її витрати на одиницю продукції. Чим вищий цей показник, тим більш прийнятною є сировина, більше вихід готової продукції і менше витрати сировини. Так, наприклад, при переробці великої рогатої худоби вищої категорії вгодованості вихід м’яса та жиру сягає 60 – 65% від живої маси, а від худих – тільки 40 – 45%. На виробництво 1 т 30% томатної пасти витрачається 5,5 т томатів з вмістом сухих речовин 8%, а при використанні плодів з 4% сухих речовин – 11 т. Таким чином, невідповідність сировини технологічним вимогам збільшує її витрати, а це, в свою чергу, знижує продуктивність виробництва (по готовому продукту), призводить до збільшення витрат енергоресурсів, праці, часу, збільшенню навантаження на технологічне обладнання і в кінцевому результаті – до зниження економічної ефективності виробництва.

Суттєвою характеристикою якості продовольчої сировини є наявність і характер сторонніх домішок: землі, піску, органічних (бадилля, солома, листя та ін.), металевих, сировини інших видів тощо. На якість сировини також впливає наявність і кількість нестандартної (некондиційної) сировини. До такої відноситься сировина, що не відповідає вимогам за формою, розміром, забарвленням, а також сировина з механічними ушкодженнями, уражена шкідниками або хворобами. Така сировина потребує сортування, додаткової обробки; вона нестійка в зберіганні, а тому збільшуються її втрати і зростає кількість відходів. Все це негативно впливає на організацію та ефективність виробництва.

При виготовленні деяких харчових продуктів з особливими вимогами до смаку, аромату, вмісту біологічно активних речовин тощо вимоги до сировини стосуються не тільки її хімічного складу (вміст цукрів, кислот, незамінних факторів, БАР), однорідності та кондиційності, а й її здатності зберігати свої показники протягом певного часу, наявності шкідливих забруднень, ступеня зараженості мікроорганізмами. Так, при виробництві продуктів для дитячого та дієтичного харчування, лікувального та спеціального призначення, натуральних вин, плодових та овочевих соків, деяких натуральних консервів і молочних продуктів вимоги до сировини більш жорсткі й чітко визначені.

Раціональне використання сировини означає також її комплексну глибоку переробку, під якою розуміється найбільш повне, безвідходне використання всіх потенційних можливостей сировини. Для харчових виробництв це важлива проблема. Так, тільки в консервній промисловості при переробці плодів і овочів відходи становлять щорічно близько 700 – 800 тис. т, що створює не тільки виробничі, а й екологічні проблеми. До них відносяться вичавки з плодів, овочів і ягід, насіння кісточки, грона, шкірки, кочериги, бадилля, плодоніжки.