Многокритериальная оптимизация процессов тепловой обработки мясных полуфабрикатов при ик-энергоподводе

Вид материала

Автореферат

Содержание Рис. 2. Физическая модель и элементы процесса тепловой ИК-обработки Первый уровень Второй уровень Третий уровень Четвертый уровень Пятый уровень Шестой уровень Седьмой уровень Восьмой уровень Девятый уровень Дж/кг; – удельная теплоемкость продукта, Дж/кг·К Изменение массовых долей компонентов биологической ценности Математическое описание Жирные кислоты

Подобный материал:

• Optimization Toolbox – Оптимизация, 780.37kb.
• «Многокритериальная оптимизация в ио», 232.16kb.
• Август октябрь Результаты исследования мясных полуфабрикатов, 252.04kb.
• Тематика курсовых работ по курсу «Проектирование автоматизированных систем», 23.01kb.
• Моделирование и оптимизация систем с распределенными параметрами, 14.61kb.
• Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 08 Моделирование и оптимизация, 200.55kb.
• Исследование потребительских свойств мясных полуфабрикатов из мяса уток и конины, 477.43kb.
• Моделирование и прогнозирование поврежденности объемных заготовок при осадке, 60.97kb.
• Задачи обследования: -определение уровня технической оснащенности как источников тепловой, 380.71kb.
• Программа вступительного экзамена в магистратуру по специальности 1-49 80 04 технология, 305.31kb.

Рис. 2. Физическая модель и элементы процесса тепловой ИК-обработки


Такой подход к сложной технологической системе позволяет составить иерархическую структуру тепломассообменных процессов и массовых превращений на девяти взаимосвязанных уровнях.

Первый уровень – это изменения, происходящие с амино- и жирными кислотами, витаминами, минеральными веществами в процессе тепловой обработки; изменения массовых долей ингредиентов, связанные с денатурацией: – переходом полипептидных цепей в моноструктуры; изменение энергии связи молекул и их массовых долей, реакция меланоидинообразования, экзо- и эндотермические эффекты, деструкция; распад глютамина, в результате чего пептиды, полипептиды распадаются на аминокислоты, воду, сульфгидрильные и кислотные группы; углеводы – на моносахариды (глюкозу, рибозу); моно-, ди-,триглицериды жирных кислот – на жирные кислоты.

Второй уровень иерархии представляют влияние процессов тепловой обработки на биохимические и микробиологические процессы, а также химические превращения: денатурация белков (саркоплазматических и миофибриллярных), переход белковых фракций в полипептиды и пептиды, плавление липидов; гидролиз компонентов мяса, в результате которого нуклеиновые кислоты распадаются на пириновые и пиримидиновые основания (нуклеотиды), белок – хромопротеид на глобин-гемовые группы, миозин на Н-меромизин, L-меромизин, актин на F-актин, Г-актин, липиды жировой ткани на моно-, ди-, триглицериды.

Третий уровень иерархии описывает процессы и явления при тепловой обработке, происходящие:

• в структурных элементах органелл клеток животного и растительного происхождения, а именно: ферментах, витаминах, макроэнергетических соединениях, нуклеиновых кислотах, белках, липидах, фосфолипиде, миоглобине, глобулин-Х, миогене, низкомолекулярных веществах, гликогене, в белковых фракциях: толстых нитях миозина, тонких нитях – актине, тропомиозине, нуклеопротеидах, АТФ-азе, миокиназе, рибонуклеазе, дезоксирибонуклеазе, фосфатазе, катепсинах, мембране (бислое), углеводах;
  
• в ДНК и РНК, содержащихся в органеллах и мембранах (биохимические, физико-химические, микробиологические, тепломассообменные процессы на уровне органелл клеток: изменение конформации структуры белка; переход из третичной структуры в двоичную; разрушение водородных мостиков, ковалентных связей, приводящих к образованию белковых фракций; инактивация ферментов, микроорганизмов, разрушение витаминов, транспорт через клеточные мембраны; а также повышение температуры в элементах клетки, гидратация, энерговыделение и поглощение от сорбционного взаимодействия и разрушения связей.
  

Четвертый уровень – это явления и эффекты, имеющие место при тепловой обработке в клетках животного и растительного происхождения. На данном уровне происходят биохимические, фазовые процессы, массообмен клеточного вещества с клеточной мембраной, растворение веществ, физико-химические процессы, разрушение физико-химических связей, теплообмен на уровне клетки, конформационные изменения структуры клетки, мембранные эффекты, изменение свойств оболочки клетки и содержания иммобилизованной влаги, специфические эффекты, связанные с поглощением и выделением теплоты.

Пятый уровень составляют процессы, протекающие при тепловой обработке в тканях мяса, в растительных компонентах, биохимические процессы, процессы внутреннего тепломассопереноса; а также коллоидные, микробиологические процессы, технологическим результатом которых являются: гидролиз, массообмен, теплообмен между компонентами, агрегирование, связывание свободной влаги, коагуляция и деградация тканей.

Шестой уровень описывает происходящие вследствие тепловой обработки биохимические процессы, внутренний тепломассоперенос, коллоидные, микробиологические процессы в рецептурно-ингредиентном составе мяса.

Седьмой уровень представляют тепломассообменные, биохимические, микробиологические, фазовые процессы, рассматриваемые в элементарном выделенном объеме (слой или ячейка биологической среды продукта), процессы, происходящие как внутри ячейки, так и в компонентах растительного происхождения, а также между ячейками, теплоотдача на границах ячеек, массоотдача верхнего слоя в среду рабочей камеры, процессы, обеспечивающие структурирование мясных систем.

Восьмой уровень характеризует превращение полуфабриката в продукт в результате теплообменных, массообменных, фазовых, микробиологических процессов, а также объемно-физических превращениях, технологическим результатом которых являются изменение структурно-механических свойств, рост объема, изменение давления, плотности, снижение водосвязывающей способности и содержания микроорганизмов.

Девятый уровень отражает процесс тепловой обработки в технологической среде: взаимосвязь между продуктом как гетерогенной биосистемы, аппаратом и воздушной средой камеры. Рассматривая явления и эффекты этого уровня, можно зафиксировать реальную динами­ческую обстановку в аппарате и проанализировать теплообмен внутри камеры.

Предлагаемая иерархическая структура системных исследований технологи­ческого процесса тепловой обработки, состоящая из девяти взаимосвязанных уровней, определяет многообразие задач системного анализа физических яв­лений в условиях ИК-облучения с формализацией множества параметров состояния элементарных процессов и функциональных связей между ними на разных уровнях и последующим построением обобщенной модели процесса тепловой обработки мясных изделий с учетом массовых превращений и конструктивных особенностей аппаратурного оформления.

При формализованном описании процесса используется принцип структурной декомпозиции, последовательное выделение системных объектов на разных иерархических уровнях с параметрическим описанием процесса в виде множества параметров состояния и причинно-следственных связей и отношений различной физико-химической и биологической природы. Априорная информация о физико-химических и биологических объектных особенностях нами формализована в виде взаимных влияний эффектов и явлений в локальном объеме (тонкий слой, ячейка, микроуровень), а также в масштабе аппарата в целом (макроуровень).

В результате многоуровневого анализа процесса тепловой обработки мясопродуктов предложено структурно-параметрическое описание технологической системы в виде упорядоченного в матричной форме множества параметров и причинно-следственных взаимосвязей между ними. Это позволяет идентифицировать и прогнозировать состояние системы на разных уровнях и технологических этапах.

В третьей главе рассматривается общее решение задач моделирования тепломассопереноса. Существующие аналитические и численные методы полного описания динамики распределенных параметров тепломассообмена на основе системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса для обобщенных переменных в критериальной форме при любых условиях делают их практически неприемлемыми для вычисления тепловых и влажностных полей и определения оптимальных технологических режимов. Аналитическое решение уравнений при любых условиях представляется сложным разложением в ряд значений температуры, влажности и многостадийными вычислениями.

Для численного решения задачи необходимо знать параметры внутреннего переноса энергии и вещества, критерии внутреннего переноса тепла и влаги (температуропроводность, термоградиентный критерий Поснова, суммарный критерий фазового перехода). В случае представления тонкослойных мясных изделий в виде пластины, т.е. при условиях ( 0 < х < ∞ и d< l), считая образец полубесконечным тонким стержнем, можно воспользоваться методикой И.А. Рогова и С.В. Некрутмана для одномерной задачи. Критерии внутреннего переноса тепла и влаги можно рассчитать по кривым изменения температуры и влагосодержания.

Наряду с аналитическим решением критериальных уравнений для пластины, для мясопродуктов цилиндрической и прямоугольной форм можно использовать систему дифференциальных уравнений тепломассопереноса в параметрическом виде:




_{( 1 )}





где t – температура продукта, К; τ – время, с; U – влагосодержание, %; – коэффициенты температуропроводности и влагопроницаемости, м²/c; – критерий фазового перехода «жидкость – пар»; – удельная теплота парообразования, Дж/кг; – удельная теплоемкость продукта, Дж/кг·К; ω – мощность объемного, равномерно распределенного источника тепла, Bm; ρ – плотность вещества продукта, кг/м³; – коэффициент термодиффузии, кг / К.


эта общепризнанная система позволяет без упрощений с заданной точностью исследовать процесс тепловой обработки мясопродуктов с помощью конечно-разностной имитационной модели тепломассообменного процесса в цилиндрических координатах: r - радиус, z - высота нагреваемого тела продукта:

_{( 2 )}




где t_{i,j,k ,} U_i,j,k – температура и влагосодержание в i, j-й точке нагреваемого тела в k-й момент времени; h_τ = h²/ (4·a) – шаг по времени, с; h – шаг пространственной сетки, м.

Граничные условия на боковой и торцевой поверхностях продукта цилиндрической формы для симметричного нагрева записываются условиями третьего и второго рода, для одной четверти осевого сечения цилиндра в конечно-разностной форме имеют вид:

– для теплообмена:



( 3 )

где – коэффициент теплоотдачи, Вт/м²·K; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м²·K;

– для массообмена:



_{( 4 )}






где , – коэффициенты влагоотдачи (массоотдачи) и влагопроводности.

Для мясопродуктов неопределенной конфигурации можно использовать ячеечный метод в различных постановках задач моделирования и оптимизации тепломассообменных процессов при тепловой обработке мясных изделий как сложной биологической среды на основе их структурно-параметрического и математического описаний на разных уровнях системного анализа.

Проводимый нами в качестве следующего этапа системный анализ эффективности процесса и возможностей интенсификации тепловой обработки биопродуктов животного происхождения, в первую очередь, базируется на математическом описании процессов 1, 2, 8 и 9-го уровней структуры технологической системы.

На основе теплового баланса процесс тепловой обработки можно описать ячеечным методом послойного моделирования температурных и влажностных полей внутри нагреваемого продукта в зависимости от плотности лучистого потока:

Q _общ = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ , ( 5 )


где Q_общ – энергия, сообщаемая облучаемому материалу, Дж; Q₁– теплота, затрачиваемая на нагрев материала, Дж; Q₂ – теплота, затрачиваемая на испарение влаги, Дж; Q₃ – отдача тепла нагреваемым материалом в окружающее пространство, Дж; Q₄ – расход тепла на плавление жира, Дж; Q ₅ – расход тепла на конструкцию, Дж.


Для разработки ячеечной модели объект исследования – мясной полуфабрикат (например, бифштекс рубленый) высотой z, разбивается по высоте на элементарные объемы – ячейки или условно принятые слои с заданным шагом ∆z. Изменение температуры t по высоте продукта z и по времени τ рассматриваем как функцию t = f ( z, τ ) для элементарных объемов или ячеек t_i,j = f ( ∆z, ∆τ ), определяемую из уравнения динамики нагрева в дифференциальной форме:


d Q_i,j / d τ = Q _i,j – Q _{i, ( j - 1)} ( 6 )


где Q_i,j – количество тепла, входящего в j-ю ячейку в i-й момент времени, Дж/с;

Q _{i, (j - 1)} – количество тепла, выходящего из j–1-й ячейки, Дж/с.

После соответствующих математических подстановок и преобразований получаем математическое описание процесса теплообмена в элементарной ячейке:


t _i,j = [( q _i · F·∆z · τ + λ _m ·F· τ·(t _i,j-1 - t_i,j+1) + m_я· c_m · z_{i , j}· τ·(t _i,j-1 - t_i,j+1)] /

(2 λ _m ·F· τ + m_я ·c_m · ∆z· τ ) , ( 7 )


где t _i,j – температура j-й ячейки в i-й дискретный момент времени, K; q_i – плотность лучистого теплового потока, Вт/м²; F – площадь поверхности элементарной ячейки, м²;  z – высота ячейки, мм; τ – время тепловой обработки, с; z – высота продукта, м; λ _m – теплопроводность мяса, Вт/м ·К ; c_m – теплоемкость мяса, Вт/кг·K; m_я – масса ячейки, кг.


Ячеечная модель, описывающая влажностные поля в условно многослойном мясном изделии, отражает уменьшение средней влажности в j-м слое образца до равновесной, вследствие испарения влаги преимущественно из поверхностных слоев.

Процесс влагопереноса в элементарной ячейке j-го слоя нагреваемого изделия описывается уравнением:


dU _i,1 /dτ = (– β·F·(U₁ – Up) + kDt·( U _i,1 – U _i,2)) / (m_я · (1 – U₁ ² )) ; ( 8 )


где β – коэффициент массоотдачи, кг/с·м²; U₁ – начальная концентрация влаги в поверх-

ностном слое изделия, %; Up – равновесное влагосодержание над поверхностью материала, %; kDt – коэффициент массообмена, кг/с; m_я – масса ячейки, кг; F – площадь поверхности продукта, м².

Коэффициент β зависит от энергии и характера связи влаги с материалом, а также от теплофизических характеристик материала.

Изменение концентрации влаги в центре U _{i , j м} и нижнем слое U _i,1 мясного изделия описывается уравнениями:


dU _{i j} / dτ = ( kDt · ( U _{i, j – 1)} - 2·U_i.j + U_{i,j + 1)})) / m_я ·(1 – U _j² ) ; j = 2,n-1 ( 9 )

dU _i,n / dτ = ( 2· kDt ·( U _i,n-1 – U _i,n )) /m _я·(1 – U_n² )


где U_i,j-1,U_ij+1– концентрация влаги предыдущего и слоев последующего мяса, %.


Дальнейшие аналитические исследования и интенсификация тепловой обработки биопродуктов с сохранением их пищевой и биологической ценности, качества и безопасности связаны с расширением понятия тепло-массовых превращений, включающем изменения массовых долей биологических компонентов продукта в процессе нагрева и построением расширенной ячеечной модели тепломассопереноса. Эта модель не учитывает геометрию продуктов и преемственна для описания мясопродуктов разной конфигурации, наиболее универсальна для численного просчета и оптимизации температурно-влажностных полей.

В четвертой главе рассматриваются вопросы влияния инфракрасного нагрева на биохимический состав мясных изделий. на основе экспериментальных исследований автора и литературных данных смоделирована динамика изменения биологических компонентов.

Изменения влажности и температуры в ходе нагрева продукта приводят к изменениям массовых долей биологических компонентов: амино- и жирных кислот, витаминов, белковых и липидных фракций. В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, описывающие изменения массовых долей компонентов пищевой и биологической ценности от температуры в виде степенных полиномов, фрагментарно представленных в табл. 1. Анализ регрессионных уравнений показывает, что в большинстве случаев зависимость массовых долей биологических компонентов от температуры является нелинейной параболической и унимодальной в определенном диапазоне изменения температуры.

Математические описания процессов теплообмена (7) и массобмена (8) ÷ (9) с регрессионными уравнениями табл. 1, составляют обобщенную модель первого уровня иерархической структуры системного анализа.

Обобщенные модели первого и второго уровней иерархии конечно-разностным методом разрабатываются аналогично, как и ячеечному методу, объединением (1) ÷ (4) с уравнениями регрессии (табл. 1) для первого уровня иерархии и математическими описаниями фракционных изменений белков, липидов для второго уровня иерархии.

Таблица 1

Изменение массовых долей компонентов биологической ценности

Аминокислоты, г/100 г белка	Математическое описание
Треонин
Серин
Глутаминовая кислота	………………………………….
Жирные кислоты, %
Пальмитолеиновая
Гептадеценовая
Олеиновая
Линолевая
Гадолеиновая
Эйкозендиеновая	………………………………….
Витамины, мг %
Рибофлавин (витамин В2)
Тиамин (витамин В1)
Пиридоксин (витамин В6)	……………………………………….