Способ автоматического управления процессом копчения мускусной утки с применением избыточного давления и паров пряно-коптильных ароматизаторов
METHOD OF AUTOMATIC CONTROL OF MUSCOVY DUCK SMOKING PROCESS WITH USE OF EXCESS PRESSURE AND VAPOURS OF SPICY-SMOKING FLAVOURINGS

Изобретение относится к области автоматизации процессов копчения и термообработки пищевых продуктов.
Известны способы автоматизации коптильной камеры (Тепловое оборудование колбасного производства. Пелеев А.И., Бражников А.М., Гаврилова В.А. М.: Изд-во «Пищевая промышленность», 1970, 384 с.):
- включающие измерение температуры в коптильной камере датчиком (типа термометра сопротивления), значение с которого передается на регулятор температуры (логометр с двухпозиционным регулирующим устройством), который управляет подачей пара в калорифер;
- включающие регулирование температуры с помощью системы, состоящей из дилатометрического датчика с пропорциональным пневматическим выходом исполнительного механизма, установленного на сливе конденсата.
Недостатком известного способа автоматизации коптильных камер является то, что в них стабилизируют только необходимую в процессе копчения температуру с помощью тех или иных промышленных регуляторов, выбор которых объективно не обоснован.
Известен способ автоматизации печей копчения и вяления рыбы (Коблов Ю.Т., Суслова Е.М. Автоматизация печей копчения и вяления рыбы / Автоматизация и производство. Опыт применения, 2005, №1(25), С. 36-37), включающий регулирование температуры, влажности подачи дыма и рециркуляции воздуха.
Недостатком известного способа является отсутствие контроля и регулирования процесса дымогенерации, а также низкая точность управления процессом копчения, окончание которого определяется только по времени без учета влияния концентрации компонентов дыма на продолжительность процесса копчения.
Известен способ автоматического управления холодного копчения рыбы [пат. RU №2183066, А23В 4/044, 2000, авторы: Остриков А.Н., Шевцов А.А., Дмитриев Ю.А.], включающий поддержание температуры и расхода сушильного агента на этапе подсушки продукта воздействием на расход теплоносителя в калорифере и расход сушильного агента в камере, измерение его  скорости и разности влагосодержания сушильного агента на входе и выходе из коптильной камеры, непрерывное вычисление на основании этих данных количества испарившейся влаги и по достижению ею некого заданного значения процесс подсушки прекращается и начинается копчение; поддержание концентрации коптильного дыма путем ее измерения фотометром и воздействием на соотношение подачи опилок и расхода воздуха на входе в дымогенератор; стабилизацию влагосодержания коптильного дыма, путем воздействия на его расход в линии рециркуляции. На каждом из временных интервалов поддерживается разность концентраций коптильного дыма на входе и выходе из камеры посредством воздействия на величину разрежения в камере.
Недостатком этого способа является отсутствие контроля и регулирования начальной влажности опилок, основных технологических параметров их пиролиза в процессе дымогенерации, что может приводить к появлению в составе получаемого дыма опасных канцерогенных веществ, не производится стабилизация температуры коптильного дыма, подаваемого в камеру, что может привести к нарушению технологического режима и снижению качества продукции, а также к недостаткам можно отнести и тот факт, что момент окончания процесса копчения определяется только по времени без учета концентрации дымовоздушной смеси в ходе процесса. Кроме этого, способ не обеспечивает высокую эффективность коптильного оборудования из-за малой скорости свободного осаждения коптильных компонентов на поверхность продукта, т.к. не может быть реализован для технологии электростатического копчения.
Известен способ автоматического управления процессом холодного копчении  пищевых продуктов в электростатическом поле [патент РФ №2320179, A23B4/044, опубл. 27.03.2008, бюл. № 9], предусматривающий обработку продукта коптильным дымом в электростатическом поле, величину напряженности которого регулируют, изменением напряжения высоковольтного генератора на основании показаний датчиков температуры, влагосодержания и скорости дымовоздушной смеси в коптильной камере, стабилизацию температуры в зоне дымогенерации путем воздействия на величину мощности, подводимой к теплопередающим элементам дымогенератора, с коррекцией по температуре воздуха, подаваемого в дымогенератор, стабилизацию температуры дымовоздушной смеси в коптильной камере путем смешения коптильного дыма из дымогенератора с охлажденным воздухом из системы кондиционирования предприятия с коррекцией по температуре охлажденного воздуха, возникающие при этом колебании концентрации дымовоздушной смеси, получаемой после смешения, компенсируют за счет изменения длительности процесса копчения, при этом по текущим значениям концентрации дымовоздушной смеси на входе и выходе из коптильной камеры и скорости дымовоздушной смеси определяют текущее значение количества коптильных веществ, осевших на продукте за время копчения, и при достижении этим количеством заданного значения прекращают процесс копчения, влагосодержание дымовоздушной смеси в коптильной камере стабилизируют путем подачи воды в дымогенератор с коррекцией по влагосодержанию воздуха, поступающего в дымогенератор, и влагосодержанию воздуха из системы кондиционирования.
Недостатком данного способа является отсутствие контроля и регулирования содержания кислорода в воздушной среде, подаваемой в дымогенератор, перепада давлений в баромембранном аппарате, температуры воздуха на входе в баромембранный аппарат, опилок в зоне их подсушки, теплопередающих элементов дымогенератора в виде инертных ферромагнитных частиц, дымовоздушной среды над поверхностью слоя в зоне дымогенерации, что не позволяет осуществлять оперативное управление технологическими параметрами с учетом накладываемых на них ограничений в электростатическом поле в среде инертного газа с индуктивным подводом энергии при дымогенерации, а также не обеспечивает точного момента окончания копчения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу является способ автоматического управления процессом холодного копчения пищевых продуктов в электростатическом поле [патент РФ № 2000123447, A23B4/044, опубл. 27.08.2002], предусматривающий стабилизацию параметров теплоподвода при подсушке, проварке, копчении и охлаждении рыбы, отличающийся тем, что воздух, подаваемый на подсушку рыбы, сначала направляют на предварительный подогрев в конденсатор теплонасосной установки, а затем на подогрев в теплообменник-рекуператор за счет теплоты отработанного коптильного дыма, коптильный дым после проварки рыбы направляют на ее копчение и далее в теплообменник-рекуператор, охлаждение рыбы осуществляют в замкнутом контуре по охлажденному воздуху в испарителе теплонасосной установки, причем часть отработанного охлажденного воздуха из замкнутого контура направляют на смешивание с коптильным дымом, подаваемым с проварки на копчение, измеряют влажность и расход рыбы, подаваемой на подсушку, влажность рыбы после подсушки, проварки и копчения, расход и температуру воздуха после рекуператора-теплообменника, подаваемого на подсушку, расход, температуру, относительную влажность коптильного дыма перед проваркой, температуру, относительную влажность и расход смеси коптильного дыма и отработанного охлажденного воздуха перед копчением, температуру рыбы после охлаждения, температуру и расход охлажденного в испарителе теплонасосной установки воздуха и по текущим значениям влажности и расхода рыбы, подаваемой на подсушку, сначала устанавливают необходимый тепловой поток воздуха на подсушку воздействием на его расход путем изменения мощности регулируемого привода вентилятора, с коррекцией по влажности рыбы, подаваемой с подсушки на проварку, затем устанавливают необходимый термовлажностный режим проварки рыбы воздействием на расход коптильного дыма с коррекцией по влажности рыбы после проварки, далее устанавливают необходимый температурный режим копчения с коррекцией по влажности рыбы после копчения путем воздействия на расход части отработанного охлажденного воздуха, подаваемого из замкнутого контура на смешивание с коптильным дымом, и стабилизируют режим охлаждения рыбы с воздействием на температуру охлажденного воздуха путем изменения холодопроизводительности теплонасосной установки и его расхода в замкнутом контуре посредством изменения мощности регулируемого привода вентилятора.
Недостатком данного способа является низкая скорость осаждения коптильных компонентов на внутренних поверхностях пор продукта и слабое проникновение коптильных веществ вглубь продукта, а также невысокое качество получаемого продукта по своим органолептическим и физико-химическим показателям, а также не обеспечивает снижение удельных энергозатрат.
Технической задачей изобретения является разработка способа автоматического управления процессом копчения мускусной утки с применением избыточного давления и паров пряно-коптильных ароматизаторов, позволяющего:
- повысить качественные показатели готовой продукции за счет получения концентрированной смеси, состоящей из паров пряно-коптильных ароматизаторов и традиционной дымовоздушной смеси с заданными свойствами, которые обеспечивают контроль и регулирование процесса;
- увеличить эффективности использования коптильного оборудования за счет применения избыточного давления, которое контролируется приборами на определенном заданном уровне, препятствуя образовыванию на поверхности слоя коптильных компонентов, мешающих проникновению фенолов во внутренние поры продукта, что обеспечивает увеличение скорости диффузионных процессов.
Техническая задача изобретения достигается тем, что в способе автоматического управления процессом копчения мускусной утки с применением избыточного давления и паров пряно-коптильных ароматизаторов, предусматривающем обработку продукта коптильным дымом под действием избыточного давления, величину которого регулируют датчиком давления, температуру стабилизируют в зонах дымогенерации и в испарительном бачке, путем воздействия на величину мощности, подаваемой к теплопередающим элементам, температуру дымовоздушной смеси в коптильной камере стабилизируют путем смешивания коптильного дыма с парами пряно-коптильных ароматизаторов, новым является то, что возникающие колебания концентрации дымовоздушной смеси и паров пряно-коптильных ароматизаторов, получаемые после смешивания, регулируются за счет датчиков концентрации и датчиков расхода, которые подают сигнал на исполнительный механизм, удерживая концентрацию смеси в заданном диапазоне, при этом расположенный на обратном трубопроводе датчик расхода определяет текущее значение количества коптильных веществ, осевших на продукт за время копчения, позволяя определить конечное завершение процесса копчения.
Технический результат изобретения заключается в повышении качества готовой продукции в результате получения концентрированной смеси, состоящей из паров пряно-коптильных ароматизаторов и традиционной дымовоздушной смеси с заданными свойствами, благодаря контролю и регулированию процесса, а также увеличении производительности оборудования за счет использования избыточного давления, позволяющего предотвратить образование на поверхности слоя коптильных компонентов, препятствуя образовыванию на поверхности слоя коптильных компонентов, мешающих проникновению фенолов во внутренние поры продукта, что обеспечивает увеличение скорости диффузионных процессов.
На фиг. 1 представлена схема, реализующая предлагаемый способ автоматического управления процессом копчения мускусной утки с применением избыточного давления и паров пряно-коптильных ароматизаторов.
Схема, реализующая предлагаемый способ автоматического управления, включает: установку для получения копченой мускусной утки с применением избыточного давления и паров пряно-коптильных ароматизаторов, которая содержит коптильную камеру 1, сверху которой располагается пульт управления 4, с кнопками включения/выключения приборов, также камера снабжена клапаном сброса давления 5, который соединен с обратным трубопроводом 10, внутри камеры располагается нагревательный элемент 6 с возможностью регулирования температурных режимов и подвесная рама 7 с крючками 28 для подвешивания продукта, также предусмотрена дверца со смотровым окном 11, предназначенная для загрузки и выгрузки продукта, а также для технического обслуживания, сзади камеры располагается выходной патрубок 8 с заслонкой 27 и вентилятором 9 для ускорения удаления дымовоздушной смеси.
Сбоку к коптильной камере 1 подводится входной патрубок 18 с заслонкой 19 и с железными жалюзи 17, соединяющими коптильную камеру с нагнетающим соплом 20 и эжектором 21.
Трубопровод 25 снабжен заслонкой 26, соединяющей дымогенератор 2 с камерой смешивания 22 через фильтр 24 и насос 23.
Дымогенератор 2 снабжен нагревательным элементом 31, над которым располагается перфорированный лист 30, на который насыпаются опилки, снизу предусмотрено поддувало 32 для удаления золы, опилки подаются через специальный люк 29.
Камера смешивания 22, посредством трубопровода 33 с заслонкой 34 соединена с испарительным бачком 3, сбоку которого расположено заливное отверстие 36 для подачи пряно-коптильных ароматизаторов 35 во внутрь бачка, где располагается нагревательный элемент 37.
Схема (фиг. 1), реализующая предлагаемый способ автоматического управления, также включает линию 38 для подачи пряно-коптильных ароматизаторов в испарительный бачок 3, линию 39 для подачи опилок в дымогенератор 2, датчики температуры 40, 41, 42 соответственно древесных опилок в дымогенераторе 2, пряно-коптильных ароматизаторов в испарительном бачке 3 и комбинированной коптильной смеси в коптильной камере 1, датчики давления 43, 44, 45, 46 соответственно в дымогенераторе 2, в испарительном бачке 3, в нагнетающем сопле 20, в коптильной камере 1, датчики расхода 47, 48, 49, 50, 51 соответственно расположены в трубопроводе 25 для удаления дымовоздушной смеси из дымогенератора 2, на линии 38 для подачи пряно-коптильных ароматизаторов, на линии 39 для подачи древесных опилок в дымогенератор 2, в обратном трубопроводе 10, в трубопроводе 33 для удаления паров пряно-коптильных ароматизаторов из испарительного бачка 3, датчики уровня 52, 53 соответственно пряно-коптильных ароматизаторов 35 в испарительном бачке 3 и древесных опилок в дымогенераторе 2, датчик влажности 54, расположенный в коптильной камере 1, датчик плотности 55, расположенный также в коптильной камере 1, датчики концентрации 56, 57, 58, соответственно расположенные в коптильной камере 1, в дымогенераторе 2 и в испарительном бачке 3, вторичные приборы 59-67, программируемый технологический контролер (ПМК) 68, локальные регуляторы 69-78, исполнительные механизмы 79-88.
Способ автоматического управления процессом копчения мускусной утки с применением избыточного давления и паров пряно-коптильных ароматизаторов осуществляется следующим образом.
Управление ведется в супервизорном режиме. При этом стабилизация значений технологических параметров производится локальными регуляторами, задание которым устанавливает программируемый микроконтроллер. Это позволяет существенно повысить надежность работы системы управления, т.к. в случае возникновения сбоя в программе или аппаратного отказа самого контроллера локальные регуляторы будут продолжать работать с последними установленными настройками. Применение микроконтроллера позволяет производить анализ поведения объектов управления и выбирать оптимальные настроечные параметры регуляторов, исходя из определенных критериев, таких как минимизация затрат энергоресурсов, скорость регулирования (время переходных процессов в системе) и др.
Предварительно подготовленный продукт нанизывают на крючки 28, расположенные на подвесной раме 7 в коптильной камере 1, затем камеру закрывают дверцей со смотровым окном 11 и при помощи пульта управления 4 включают нагревательный элемент 6 и вентилятор 9 на выходном патрубке 8 для удаления свободной и поверхностной влаги из продукта, достигая нужного значения при помощи датчика 55, измеряющего влагу и дающий сигнал на вторичный прибор 63, затем доводят температуру внутри камеры до 120-180ºС в течение 20 минут при помощи нагревательного элемента 6, и датчика 42 измеряющего и контролирующего температуру на заданном уровне внутри коптильной камеры 1.
Локальный регулятор 78 стабилизирует температуру воздуха в коптильной камере 1, воздействуя на исполнительный механизм 87, изменяющий силу тока, подаваемого на нагревательный элемент 6.
Датчик 55 измеряет плотность смешанной дымовоздушной смеси в коптильной камере 1, подавая сигнал на вторичный прибор 64.
Затем по линии 39 в дымогенератор 2 подаются опилки, расход которых стабилизируется с помощью датчика расхода 49 и локального регулятора 72 путем воздействия на исполнительный механизм 81. Опилки подаются на перфорированный лист 30 с отверстиями и закрывают заслонку 26 на трубопроводе 25, после чего включают нагревательный элемент 30 и доводят температуру до 290-300ºС при помощи датчика 40, который измеряет и контролирует температуру внутри дымогенератора 2 на заданном уровне.
Локальный регулятор 70 стабилизирует температуру пиролиза опилок в дымогенераторе 2, воздействуя на исполнительный механизм 79, изменяющий силу тока, подаваемого на нагревательный элемент 31.
Датчик 53 измеряет уровень опилок, подаваемых в дымогенератор 2 по линии 39, подавая сигнал на вторичный прибор 59.
Датчик 43 измеряет давление в дымогенераторе 2, подавая сигнал на локальный регулятор 71, который регулирует давление внутри при помощи исполнительного механизма 80.
При помощи датчика 57 измеряют концентрацию дымовоздушной смеси в дымогенераторе 2, подавая сигнал на вторичный прибор 60.
В испарительный бачок 3 через заливное отверстие 36 по линии 38 подаются пряно-коптильные ароматизаторы 35, расход которых стабилизируется при помощи датчика расхода 48 и локального регулятора 74 при помощи исполнительного механизма 84, и включают нагревательный элемент 37 при закрытой заслонке 34 на трубопроводе 33 для повышения давления внутри бачка до 198 кПа, при помощи датчика 44 измеряют давление внутри испарительного бачка 3 и доводят до температуры 110-120ºС, которую измеряют с помощью датчика 41.
Локальный регулятор 73 стабилизирует температуру пряно-коптильных ароматизаторов 35 в испарительном бачке 3, воздействуя на испольный механизм 83, изменяющий силу тока, подаваемого на нагревательный элемент 37.
Датчик 52 измеряет уровень пряно-коптильных ароматизаторов 35 в испарительном бачке 3, подавая сигнал на вторичный прибор 67.
Локальный регулятор 75 стабилизирует давление на уровне 198 кПа в испарительном бачке 3, воздействуя на исполнительный механизм 85.
При помощи датчика 58 измеряют концентрацию паров пряно-коптильных ароматизаторов в испарительном бачке 3, подавая сигнал на вторичный прибор 61.
После достижения заданной влажности, измеряемой в коптильной камере 1 датчиком 54, подается сигнал на вторичный прибор 63 и на ПМК 68, и выключается нагревательный элемент 6 и вентилятор 9, затем закрывается заслонка 27 на выходном патрубке 8, а заслонки 34 и 26 на трубопроводах 33 и 25 соответственно открываются и включается насос 23.
Из дымогенератора 2 дымовоздушная смесь отсасывается через фильтр 24 насосом 23, в котором одновременно происходит ее охлаждение и очистка от канцерогенных компонентов, после этого дымовоздушная смесь нагнетается в эжектор под давлением, проходя через камеру смешивания 22, где дымовоздушная смесь смешивается с парами пряно-коптильных ароматизаторов, после чего вся смесь с большой скоростью проходит через нагнетающее сопло 20, в котором расположен датчик измерения давления 45, который подает сигнал на вторичный прибор 66, затем вся смесь попадает в трубопровод 18 с открытой заслонкой 19 и с регулируемыми железными жалюзи 17, позволяющими регулировать направление коптильной смеси, которая начинает пронизывать поры продукта снаружи, ослабляя силы взаимодействия между молекулами в местах попадания. Давление в местах столкновений оказывается выше давления окружающей среды, и чем выше скорость испарения, тем выше разница давления на границе раздела фаз и в среде, при этом увеличивается общее давление среды в коптильной камере до 198 кПа.
При достижении большего давления, чем 198 кПа в коптильной камере 1, предусмотрен клапан сброса давления 5, который установлен в обратном трубопроводе 10, связывающем коптильную камеру 1 с камерой смешивания 22.
Отношение концентрации паров пряно-коптильных ароматизаторов и дымовоздушной смеси в коптильной камере 1 должно быть в пределах 30:70 для более равномерного прокапчивания продукта, для этого на трубопроводах 33 и 25 установлены датчики расхода 51 и 47 соответственно.
Локальный регулятор 69 стабилизирует объем подачи дымовоздушной смеси в камеру смешивания 22, воздействуя на исполнительный механизм 82, изменяющий объем пропускаемости насоса 23.
Локальный регулятор 76 стабилизирует объем подачи паров пряно-коптильных ароматизаторов в камеру смешивания 22, воздействуя на исполнительный механизм 86.
Датчик расхода 50, расположенный на обратном патрубке 10, измеряет объем смеси, выбрасываемой через клапан сброса давления 5 и затем поступающей в камеру смешивания 22, подавая сигнал на вторичный прибор 62.
Процесс копчения продолжается в течение 20 минут, после чего перекрываются заслонки 26 и 34 и отключаются нагревательные элементы 37 и 31 и насос 23, затем открывается заслонка 27 и включается вентилятор 9 для протягивания коптильной камеры 1 от отработанной коптильной смеси на выходном патрубке 8, после чего открывается дверца со смотровым окном 11 и продукт снимается с крючков 28.
Предлагаемый способ автоматического управления процессом копчения мускусной утки с применением избыточного давления и паров пряно-коптильных ароматизаторов имеет следующие преимущества:
- обеспечивает повышение производительности оборудования благодаря обеспечению согласованной работы дымогенератора, испарительного бачка и коптильной камеры;
- обеспечивает снижение удельных энергозатрат за счет поддержания наиболее рациональных условий протекания процесса копчения;
- позволяет получить готовый продукт стабильно высокого качества за счет получения дыма и паров пряно-коптильных ароматизаторов с заданными свойствами концентрации;
- сократить затраты на электроэнергию и, следовательно, позволяет снизить себестоимость продукции;
- повысить скорость приготовления копченых пищевых продуктов;
- уменьшить количество дымовоздушных выбросов и, следовательно, обеспечить защиту окружающей среды.