УСТАНОВКА ДЛЯ СВЕРХБЫСТРОЙ ЗАМОРОЗКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ПУТЕМ ПРЯМОГО КОНТАКТА С ДОЗИРОВАННЫМ ЖИДКИМ АЗОТОМ
DEVICE FOR ULTRA HIGH-SPEED FREEZING OF FOOD PRODUCTS BY MEANS OF DIRECT CONTACT WITH DOSED LIQUID NITROGEN

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Это изобретение относится к обработке заморозкой пищевых продуктов, в частности к замораживающей установке, использующей жидкий азот для обработки пищевых продуктов, помещенных в контейнер для распределения конечному потребителю, с целью консервации замороженных таким способом продуктов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
С хранением пищевых продуктов в течение длительных периодов времени связаны некоторые проблемы, которые должны быть решены. Пищевые продукты могут сохраняться при температуре окружающей среды в течение очень краткого и ограниченного времени и, в общем, хранение пищевых продуктов в течение длительного времени даже при низкой температуре невозможно.
Чтобы обеспечить хранение пищевых продуктов в течение относительно длительных периодов времени и, в частности, при температуре окружающей среды или в некоторых случаях при низких температурах, необходимо предотвратить разрушение пищевых продуктов, вызванное развитием микроорганизмов, таких как бактерии, грибы и т.д. Рост таких организмов в пищевых продуктах зависит от наличия воды в пищевых продуктах, а также от условий хранения, например температуры продукта, температуры среды и т.д. Рост микроорганизмов, включая бактерии, ускоряется окружающей средой или высокой температурой таким способом, что скорость разрушения пищевых продуктов увеличивается при более высоких температурах, что приводит к разрушению продукта в более короткий промежуток времени.
По этой причине, пищевые продукты хранят при низкой температуре, при которой микроорганизмы не имеют возможности к росту; таким образом ростом микроорганизмов можно управлять, и разрушение пищевых продуктов может быть предотвращено. Однако хранение пищевых продуктов при таких низких температурах может создать новые проблемы, связанные с пищевыми продуктами, при разморозке замороженных или охлажденных пищевых продуктов, как описано далее.
В настоящее время лучший способ хранения свежих или сырых пищевых продуктов в течение некоторого времени без их разрушения состоит в их заморозке или охлаждении и размещении таким образом законсервированных продуктов в холодильной камере.
Заморозка пищевых продуктов представляет собой способ консервации, основанный на отверждении воды, содержащейся в продукте. По этой причине следует принять во внимание содержание воды в продукте как фактор. Латентная теплота замерзания зависит от количества воды. К другим факторам относятся начальная и конечная температуры, поскольку они определяют количество тепла, которое необходимо удалить из продукта. В области пищевых продуктов заморозку определяют как применение интенсивного охлаждения, способного остановить бактериальный и ферментативный процессы, которые разрушают пищевые продукты.
Заморозка пищевых продуктов состоит в понижении температуры воды (теплосодержания) и дальнейшем изменении ее фазы с переходом из жидкого в твердое состояние (латентная теплота); поскольку вода представляет собой наибольший компонент (от 50% до 90%). Вода, замороженная в пищевых продуктах, представляет собой скорее сложный комплекс веществ, нежели чистую воду, из-за присутствия в ней частиц, непосредственно входящих в состав пищевых продуктов: липиды, протеины, клетчатка, крахмал, сахар и вода, которые влияют на параметры заморозки.
На первом этапе заморозки температура части воды уменьшается до достижения точки замерзания (0°C), и затем начинают формироваться небольшие ячейки льда ("кристаллическая затравка"). Вокруг таких ячеек начинает формироваться лед, и в зависимости от скорости заморозки, ледяные кристаллы могут быть удлиненными, с мягкими концами, большими, малыми или образовываться в пределах/за пределами ячейки. В зависимости от скорости заморозки могут возникать следующие эффекты.
Денатурализация протеина.
При медленной заморозке продукта или колебаний температуры во время хранения ледяные кристаллы во время своего роста извлекают воду, связанную с протеинами, так, что протеины разрушаются и теряют способность к восстановлению воды при разморозке, таким образом указанная вода при разморозке вымывает из продукта гидрорастворимые питательные вещества. Такая заморозка меняет структуру пищевого продукта, приводит к его затвердеванию и уменьшает его растворимость и пищевую ценность.
Втягивание крахмала.
Крахмал представляет собой линейные цепочки глюкозы, называемые амилозой, а сложные структуры разветвленных цепочек называются амилопектином. Гранулы крахмала в охлажденной взвеси имеют тенденцию лопаться с поглощением воды, и при достижении некоторой температуры они желатинизируются и утолщаются за счет жидкости. Когда этот желатин отстаивается, линейные цепочки амилозы как бы кристаллизуются и освобождают воду, прежде сохраненную в их структуре; этот процесс называется синерезисом (образование сгустков). Именно поэтому предпочтительно выбирать крахмал в пищевых продуктах с очень низким содержанием амилозы. Например, коэффициент амилозы у риса равен 16%, у зерна 24%, сорго обыкновенный и тапиока вообще не содержат амилозы.
Сокращение липидов.
Липид в твердом теле называют жиром, тогда как если он находится в жидком состоянии, то называется маслом. Переход из твердого состояния в жидкое зависит от точки плавления липида. При заморозке пищевых продуктов масла затвердевают и сокращаются в объеме.
Пищевые продукты с низким содержанием воды имеют низкую начальную точку замерзания, поскольку давление пара уменьшается из-за растворенных веществ. Невозможно заморозить всю содержащуюся в продукте воду, поскольку во время обработки замораживается только так называемая свободная вода (примерно 75%).
Типы заморозки:
Воздушная: струя холодного воздуха удаляет тепло из продукта до достижения заданной конечной температуры.
Контактная: холодная поверхность в соприкосновении с продуктом удаляет тепло.
Криогенная: для заморозки вместо холодного воздуха используют криогенные жидкости: азот или двуокись углерода.
Эффекты, возникающие при заморозке.
Высушивание.
Приблизительно 80% общего веса в продуктах животного или даже больше в продуктах растительного происхождения составляет вода. Вода представляет собой главный компонент пищевых продуктов животного и растительного происхождения. Когда пищевые продукты замораживают, вода превращается в лед, и возникает эффект высушивания.
Заводка кристаллов.
Когда пищевые продукты замораживают при нормальном атмосферном давлении, температура продукта снижается до 0°C, при этом вода начинает превращаться в лед. Этот процесс продолжается при такой температуре некоторое время, и когда кристаллизация закончена, температура снижается до температуры окружающей среды. Время, когда снижение температуры отсутствует, необходимо для удаления латентного тепла замерзания (80 кал/г). В это время эффект охлаждения уравновешен теплом, освобожденным из воды при изменении ее состояния. Температура остается постоянной и на графике отражена горизонтальным участком, длина которого зависит от скорости рассеяния тепла. В это время существует равновесие между формированием кристаллов и таянием.
В начале горизонтального участка графика наблюдается снижение прозрачности, указывающее на переохлаждение воды перед началом кристаллизации (это особенно хорошо заметно в небольших объемах, таких как клетки и микроорганизмы). Этот эффект сопровождается отводом тепла с большой скоростью и быстрым формированием кристаллов льда. Поскольку вода в пищевых продуктах не является чистой водой, а представляет собой раствор солей, сахаров и растворимых протеинов, а также сложных молекул протеина в коллоидной взвеси, температура ее замерзания снижена. Это снижение пропорционально концентрации растворенных веществ. Наиболее распространенные пищевые продукты замерзают при температуре от 0°C до -4°C. Эта температурная область известна как область максимального формирования кристаллов. По мере замерзания воды концентрация растворенных веществ в остальной части воды постепенно увеличивается, что приводит к еще большему снижению температуры замерзания.
Кристаллизация.
Для ускорения кристаллизации необходимо присутствие частиц или нерастворимых солей, действующих как центры кристаллизации. Чем ниже температура, тем быстрее происходит кристаллизация с образованием большого количества кристаллических скоплений, и таким образом размер кристаллов получается низким. Напротив, при температуре, близкой к точке плавления, кристаллизация происходит медленно, с малым количеством центров кристаллизации, и таким образом кристаллы вырастают до относительно большого размера. При изучении форм ледяных кристаллов под микроскопом видно, что быстрая заморозка ведет к образованию кристаллов более или менее круглой формы, в то время как при медленной заморозке формируются большие, удлиненные или игловидные кристаллы. Такая медленная заморозка ведет к разрушению волокон и клеточных стенок, и пищевые продукты теряют свои свойства. В твердых или отличающихся высокой вязкостью пищевых продуктах размер кристаллов меняется в зависимости от области пищевого продукта. В периферийных областях продукта кристаллы формируются быстро и имеют небольшой размер, тогда как теплопередача внутри продукта затруднена, и выращенные медленно кристаллы достигают больших размеров. При дальнейшем понижении температуры продукт достигает состояния, в котором остальная часть воды и концентрированные растворенные веществ затвердевают вместе в точке насыщения, так называемой евтектической точке. Температура, соответствующая этой точке, намного ниже температуры, которую обеспечивают большинство промышленных холодильников, допускающих небольшие количества незамороженной воды, которая сохраняет возможность выживания микроорганизмов, при невозможности их развития и воспроизведения.
Изменения объема.
Переход от жидкой воды в лед сопряжен с увеличением объема примерно на 9%. В результате, пищевые продукты, насыщенные водой, расширяются сильнее, чем продукты с низким содержанием воды. Это расширение может вызвать разрывы или трещины. Важно иметь в виду этот эффект при изготовлении контейнеров, которые должны быть эластичными.
Скорость заморозки.
Качество замороженного продукта зависит от скорости, с которой он был заморожен. Эту скорость определяют как минимальное расстояние между поверхностью и критической точкой, разделенное на время, за которое критическая точка переместится от 0°C до -15°C. Таким образом, процесс заморозки характеризуется как:
Малая скорость: меньше 1 см/час, то есть стационарный холодильник с неподвижным воздухом при -18°C. Обычно он реализован в холодных помещениях, построенных и оборудованных для работы при низких температурах. Установка предлагает дополнительную емкость для охлаждения, дополнительно оборудованную вентиляторами для циркуляции воздуха. Такие системы отличаются низкой скоростью заморозки, и их используют для таких продуктов, как маргарины и бифштексы или мясные туши, для которых не требуется высокое качество. Недостатки этого вида заморозки: обезвоживание (примерно 5-10%) и иней в продукте. Также, существует недостаток, связанный с равномерностью охлаждения, поскольку если камера переполнена, система перегружается и не достигает желательной температуры замерзания.
Средняя скорость: 1-5 см/час, в туннеле с продувкой холодным воздухом со скоростью 20 км/ч и температурой -40°C. Такие установки сконструированы для высокой производительности на основе циркуляции холодного воздуха и достигают очень высокой скорости теплообмена, при потерях от обезвоживания от 2% до 6% веса продукта. Установку выбирают согласно характеристикам процесса и продукта. Этот вид заморозки объединяет морозильные камеры с интенсивным движением воздуха, с флюидизированным слоем и морозильники типа Гиро.
Морозильная камера с интенсивным движением воздуха. В такой установке холодный воздух с высокой скорость распространяется внутри помещения с платформами, расположенными заданным способом. С помощью этой установки могут быть заморожены продукты почти всех типов, но заморозка должна быть осуществлена до упаковки для устранения обезвоживания или инея. Такую установку также используют для заморозки мясных туш, которые транспортируют по рельсам.
Морозильная камера с флюидизированным слоем. Такую камеру используют для заморозки продуктов небольшого размера (первоначально эта камера была сконструирована для обработки гороха). В такой камере потоки воздуха подают снизу вверх, при этом продукт находится почти в подвешенном положении, с дополнительным вращением, вследствие чего может быть осуществлена равномерная и быстрая заморозка. Большой недостаток этой установки состоит в том, что потоки воздуха могут повредить или пересушить продукт из-за высокой скорости и интенсивности охлаждения.
Морозильник типа Гиро. Эта система является одной из самых современных и эффективных механических систем. В такой установке генерируется вихревой воздушный поток вентиляторами, сконструированными для равномерной заморозки. Продукт вращается на спиральном транспортере и охлаждается в течение периода времени от 45 минут до 1 часа. Поскольку поток воздуха не является прямым, продукт теряет меньше веса от обезвоживания (от 1% до 2%). Благодаря спиральной конструкции, такая система не занимает большое пространство. Единственный недостаток морозильных камер этого типа состоит в значительных капитальных затратах на приобретение и установку.
Большая скорость: больше 5 см/час, достигается погружением в жидкий азот. Быстрая заморозка выполняется с использованием жидкого азота при очень низких температурах (-196°C) погружением или обрызгиванием, в зависимости от характеристик пищевых продуктов. С использованием заморозки такого типа может быть достигнуто высокое качество Индивидуальной Быстрой Заморозки (ИБЗ), при которой куски пищевого продукта разделены и не прилипают к ленте транспортера. Этот тип заморозки обеспечивает более лучшее качество продуктов по сравнению с заморозкой других типов благодаря тому, что:
создает ледяные микрокристаллы, которые не деформируют клетку, препятствует потере веса и обезвоживанию, поддерживает качество продукта;
продукт не деформируется, поскольку отсутствуют воздушные потоки, и не прилипает к ленте транспортера.
Влияние хранения: было выявлено, что температура -18°C представляет собой подходящий и безопасный уровень для консервации замороженных пищевых продуктов. Микроорганизмы не могут развиваться при такой температуре, и ферменты действуют очень медленно, однако само хранение производит изменения в пищевых продуктах:
Перекристаллизация. Во время хранения была выявлена тенденция соединения небольших кристаллов с формированием больших новых кристаллов. Причина такого явления состоит в том, что небольшие кристаллы менее устойчивы, чем большие кристаллы, которым свойственна более высокая энергия на единицу массы. Это явление наблюдается, если продукт хранят при температурах вблизи 0°C. Чем ниже температура хранения, тем меньше влияние этого эффекта, который почти отсутствует при температурах ниже -60°C.
Намерзание льда. Любая протечка теплого воздуха в холодильник приводит к созданию перепада температур между холодным внутренним воздухом и теплым воздухом протечки. Когда воздух нагревается, его способность к поглощению влаги увеличивается. В холодильнике единственным источником влаги является лед, содержащийся в замороженных пищевых продуктах. Теплый воздух забирает влагу из плохо защищенных пищевых продуктов, обезвоживая их. Затем, с охлаждением воздуха, влага оседает на холодных поверхностях морозильника. Формирование льда из влаги, содержащейся в воздухе, без перехода через жидкое состояние, называется возгонкой.
Обмерзание при охлаждении приводит к большой поверхностной десикации замороженных пищевых продуктов, вызванной обезвоживанием сверху. Оно проявляется в поверхностных слоях продукта в виде темной окраски, когда в большей части поверхностных слоев концентрируются и окисляются пигменты. Также появляются бело-сероватые зоны из-за пробелов, оставленных льдом после его возгонки. Если хранение длится достаточно долго, поверхностные слои становятся пористыми и начинают обезвоживать нижние слои. Если охлаждение является небольшим, явление приобретает реверсивный характер с переходом от увлажнения к перегидрации. Это может быть проверено варкой слегка замороженного участка. Напротив, если заморозка была глубокой, произошло окисление, и химические реакции стали необратимыми. Таким образом, необходимо использование подходящей упаковки, выполненной с возможностью уменьшения потери воды в 4-20 раз. Глубокая заморозка вызывает значительную потерю веса продукта и потерю его пищевой ценности, вызывающей снижение органолептического качества.
В прошлом и в настоящее время криогенная заморозка хотя и обеспечивает высокое качество, безопасность и длительный срок годности пищевых продуктов, была и остается малоиспользуемой из-за высокой стоимости газов, оборудования и монтажных работ.
ОБЗОР ИЗОБРЕТЕНИЯ
С учетом ограничений, которые свойственны подходам, известным из уровня техники, задача настоящего изобретения состоит в предложении установки для сверхбыстрой заморозки пищевых продуктов путем прямого контакта с дозированным жидким азотом.
Другая задача состоит в предложении установки для сверхбыстрой заморозки пищевых продуктов с сохранением их первоначальных свойств и вкуса без изменения при разморозке после хранения в морозильной камере в течение длительного периода времени.
Другая задача изобретения состоит в предложении установки для сверхбыстрой криогенной заморозки пищевых продуктов.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в предложении установки для сверхбыстрой криогенной заморозки пищевых продуктов, которые могут быть обработаны как отдельные порции, помещенные в контейнер для демонстрации и продажи.
Еще одна задача изобретения состоит в предложении установки для сверхбыстрой заморозки пищевых продуктов, которая обеспечивает поточный производственный процесс, в результате которого пищевые продукты, подлежащие заморозке, могут храниться в своей окончательной упаковке до герметизации.
Еще одна задача изобретения состоит в предложении установки для сверхбыстрой заморозки пищевых продуктов с максимальной эффективностью использования потребленного жидкого азота.
Другая задача изобретения состоит в предложении установки для сверхбыстрой заморозки пищевых продуктов, в которой заморозка осуществляется быстрым и точным дозированием жидкого азота, поданного непосредственно к продукту, подлежащему заморозке.
Еще одна задача изобретения состоит в предложении установки для сверхбыстрой заморозки пищевых продуктов, в которой используется точная доза жидкого азота для таких пищевых продуктов.
Другая задача изобретения состоит в предложении установки для сверхбыстрой заморозки пищевых продуктов с конкурентоспособными затратами.
Эти и другие задачи и преимущества настоящего изобретения станут очевидными в следующем описании, которое сопровождается чертежами, иллюстрирующими предпочтительные варианты реализации изобретения, которые следует понимать как иллюстративные и ни в коей мере не ограничивающие настоящее изобретение.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ввиду предыдущих подходов, особенно в области консервации пищевых продуктов заморозкой, существует потребность в установке, выполненной с возможностью уменьшения затрат криогенной заморозки, пригодной для предприятий, замораживающих пищевые продукты, и обеспечивающей максимальные качество, безопасность и срок годности; установка согласно изобретению, в дальнейшем упоминаемая как СБСЗ (сверхбыстрая самотечная заморозка), была разработана для достижения высокой производительности в потреблении жидкого азота, основанной на быстром и точном дозировании жидкого азота для продукта, подлежащего заморозке, приводящем к конкурентоспособным затратам.
Установка СБСЗ согласно изобретению представляет собой значительное усовершенствование технологии, примененное к известным способам заморозки пищевых продуктов, которые не обеспечивают таких качества и срока хранения замороженного продукта, которые обеспечивает установка согласно настоящему изобретению.
Преимущество установки согласно изобретению состоит в том, что она не формирует удлиненные кристаллы в продукте, поскольку использует дозированный жидкий азот, который входит в быстрый и точный контакт с пищевыми продуктами, замораживает молекулы воды и формирует микрокристаллы, которые благодаря их малому размеру не разрушают клеточных стенок; этот вид заморозки достигнут благодаря скорости контакта жидкого азота с пищевыми продуктами (при температуре - 196°C или -325°F) и благодаря дозированию точного количества жидкого азота, в соответствии с требованиями конкретного пищевого продукта.
Установка согласно изобретению обеспечивает ряд преимуществ, когда обеспечивает реальную сверхбыструю заморозку; она не требует большого пространства для расположения, она имеет небольшой вес, ее стоимость достаточно низка по сравнению с традиционными морозильными установками туннельного типа с эквивалентной производительностью, которые замораживают распылением газа, в которых газ, а не жидкость, входит в контакт с поверхностью пищевых продуктов, подлежащих заморозке, вследствие чего задерживается заморозка и формируются кристаллы большого размера, разрушающие клетки пищевых продуктов.
Технология СБСЗ эффективна и оптимизирует качество пищевых продуктов, консервируя их первоначальные свойства, такие как витамины, минералы и протеины, оставляя их без изменений во время заморозки, транспортировки и хранения, при подходящих условиях, и таким образом свойства пищевых продуктов остаются неповрежденными.
Установка СБСЗ не требует больших затрат, связанных с приобретением, монтажом или устройством рабочей зоны, по сравнению с высокой стоимостью традиционного оборудования для криогенной заморозки, такого как туннель с распылением газа или иммерсионная ванна, с затратами, более чем в 10 раз превосходящими стоимость установки согласно изобретению.
Колебание рыночных цен на оборудование для криогенной заморозки распылением или погружением составляет от 15% до 50%, тогда как для установки СБСЗ этот показатель составляет от 5% до 25%, в зависимости от пищевых продуктов, подлежащих заморозке; производственная линия на основе технологии распыления или погружения является прерывистой (обработка партиями), тогда как в установке СБСЗ процесс идет непрерывно (поточный режим), в результате чего сокращены затраты на сверхурочное время и излишний персонал.
2
2
При сравнении производственных площадей, необходимых для монтажа и эксплуатации, установок на основе технологии распыления и согласно настоящему изобретению выяснилось, что для установки согласно изобретению требуется всего лишь 2-6 м, в то время как туннельная установка с распылением требует по меньшей мере 40 м.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания преимуществ системы согласно изобретению далее приведены чертежи и графики, иллюстрирующие характеристики предпочтительного варианта выполнения системы, не ограничивающие настоящее изобретение.
Фиг.1 схематично иллюстрирует на виде спереди установку согласно предпочтительному варианту реализации изобретения.
Фиг.2а схематично иллюстрирует на виде сбоку правую часть установки согласно предпочтительному варианту реализации изобретения.
Фиг.2b схематично иллюстрирует на виде сверху дно резервуара для жидкого азота в предпочтительном варианте выполнения установки согласно изобретению, показанной на фиг.1 и 2а.
Фиг.3 схематично иллюстрирует фазовый разделитель в предпочтительном варианте выполнения установки согласно изобретению, показанной на фиг.1.
Фиг.4 схематично иллюстрирует на виде спереди главные компоненты предпочтительного варианта выполнения установки согласно изобретению, показанной на фиг.1.
Фиг.5 схематично иллюстрирует на виде спереди предпочтительный вариант выполнения установки согласно изобретению, показанной на фиг.1, с показом основных элементов системы управления.
Фиг.6 схематично иллюстрирует на виде справа предпочтительный вариант выполнения установки согласно изобретению, показанной на фиг.1, с показом основных элементов системы управления.
Фиг.7 схематично иллюстрирует предпочтительный вариант выполнения установки согласно изобретению.
Фиг.8 показывает вид в перспективе контейнера, выполненного с возможностью использования для заморозки в установке согласно изобретению.
Фиг.9 схематично иллюстрирует контейнер, показанный на фиг.8, с показом выходных форсунок, на которых проводились испытания на распределение в установке согласно изобретению.
Фиг.10 показывает график изменения количества распределенного жидкого азота как функцию времени распределения, составленный на основе данных испытания на равномерность распределения жидкого азота через форсунку.
Фиг.11 показывает график распределения температур в двух местах в объекте, обработанном с использованием установки согласно изобретению, как функцию времени в период распределения жидкого азота и после него.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приведено описание со ссылкой на приложенные чертежи, описанные выше, которые следует понимать исключительно как иллюстрацию предпочтительного варианта реализации изобретения, но не как ограничение изобретения. Общие элементы на всех чертежах обозначены одинаковыми позиционными номерами.
Это изобретение относится к установке для заморозки предметов, предпочтительно пищевых продуктов, сырых или сваренных, в группах, включающих отдельные порции, помещенных в пакет для открытой продажи.
На фиг.1 и 2 проиллюстрирован вариант выполнения установки согласно изобретению, в общем обозначенной позиционным номером (100), содержащей фазовый разделитель (110), зону (120) распределения жидкого азота, механизм (130) управления распределением, транспортер (140) для переноса замораживаемого материала к установке и от установки, замораживающую камеру (150) туннельного типа и выход (160) для выпуска азота в форме газа в атмосферу.
На фиг.2 подробно проиллюстрирована зона (120) распределения жидкого азота, содержащая резервуар (121) с изолированными вакуумом стенками (123), формирующими контейнер (122) для жидкого азота под атмосферным давлением, сообщающийся с атмосферой через вентиль (125), расположенный в крышке (124), закрывающей входное отверстия резервуара (121). Между крышкой и резервуаром в случае необходимости может быть применено уплотнение для предотвращения утечки азота в рабочую зону, где находится персонал. Резервуар (121) имеет дно, в котором расположены отверстия для выхода жидкого азота. На фиг.2b показан предпочтительный вариант реализации изобретения с 8 отверстиями (126а), (126b), (126с), (126d), (126e), (126f), (126g) и (126h), расположенными двумя параллельными рядами по 4 отверстия в каждом попарно.
Хотя на фиг.2b проиллюстрирован предпочтительный вариант выполнения установки с 8 выходами для жидкого азота, практически установка может быть сконструирована согласно требованиям пользователя с большим или меньшим количеством отверстий или их измененным расположением, в соответствии с формой контейнера для пищевых продуктов, подлежащих заморозке. Также возможно использование, как описано ниже, только части всего количества имеющихся отверстий согласно конкретному применению.
Как показано на фиг.2а, под резервуаром (121) расположен механизм (130) управления распределением как часть зоны распределения, изолированный пенополиуретаном высокой плотности. В нижней части фиг.4 показаны выступы, представляющие собой форсунки (131а), (131b), (131с) и (131d), которые соответствуют отверстиям (126а), (126b), (126с) и (126d) соответственно; позади этих форсунок расположен другой идентичный комплект соответствующих параллельных отверстий (126e), (126f), (126g) и (126h). Каждая форсунка связана с криогенным игольчатым клапаном, имеющим соленоидный привод (не показан); при этом каждый криогенный клапан управляется приводом (132а), (132b), (132с) и (132h) соответственно предпочтительно пневматического типа, как показано на чертеже.
Механизмы управления дополнены устройствами для определения, передачи, отображения и управления другими переменными, такими как индикатор (300) уровня азота в резервуаре (121), регулятор (310) уровня жидкого азота и расходомер (320) газообразного азота.
Жидкий азот в резервуар (121) подают из фазового разделителя (110) через отверстие (128) подачи в верхней области резервуара (121).
На фиг.3 подробно проиллюстрирован фазовый разделитель (110), в который жидкий азот подают из складского резервуара (не показан) через питающую трубу (111), через управляющий криогенный клапан (112) и выпускное отверстие (113), через которое жидкий азот поступает в камеру (114), в которой жидкий азот находится под давлением окружающей среды, тогда как через выход (115) обеспечен выпуск газа для поддержания соответствующего уровня жидкого азота, который подают через нижнее отверстие (116) в зону (120) распределения; в конечном счете жидкий азот поступает в зону (120) распределения через трубопровод (117).
В зоне (120) распределения, как проиллюстрировано на фиг.4, жидкий азот поступает из резервуара (121) при атмосферном давлении простым самотеком через отверстия (126) в дне (127) резервуара (121) к форсункам (131), которые направляют струю жидкого азота непосредственно в центр верхней поверхности каждого объекта заморозки, который в случае пищевых продуктов соответствует одной индивидуальной порции. Уровень жидкого азота в резервуаре (121) задает гидростатическое давление на дно резервуара и таким образом количество жидкого азота, проходящего к форсункам (131) из отверстий (126) в единицу времени; следовательно, необходимо обеспечить управление указанного уровня, как описано ниже.
Для эффективной заморозки порции пищевого продукта необходимо распределение жидкого азота в достаточном количестве; количество жидкого азота, необходимого для распределения в одну порцию, зависит от природы и свойств продукта, который подлежит заморозке, что, как описано выше, особенно важно в случае пищевых продуктов для обеспечения сохранения пищевых и органолептических характеристик продукта неизменными во время обработки или во время хранения в низкотемпературных камерах. Чрезвычайно критичная в этом отношении предложенная установка оборудована очень точной системой управления количеством жидкого азота, направляемого на объект или объекты заморозки, которая проиллюстрирована на фиг.4-7.
На фиг.4 проиллюстрированы основные элементы системы управления для жидкого азота; описанные элементы являются общими для каждого из выходов жидкости, поэтому они в целом обозначены основным позиционным номером (131) без указания буквы, которая дифференцирует его положение, т.е. (131а), (131b), и т.д. Таким образом, указанная система управления содержит: ряд форсунок (131), распределяющих жидкий азот, текущий самотеком из резервуара (121) при атмосферном давлении; азот, выходящий через отверстия (126) в дне; причем поток жидкого азота к форсункам (131) может быть остановлен действием криогенных клапанов (135) предпочтительно игольчатого типа, с активными элементами, выполненными из нержавеющей стали; криогенные клапаны расположены так, что их штоки ориентированы горизонтально, и таким образом жидкий азот течет вертикально вниз, когда криогенный клапан (135) открыт; каждый криогенный клапан (135) калиброван так, что пропускает заданное количество жидкого азота в единицу времени, и клапан приводится в действие пневматическим приводом (132) с воздушными каналами (134) с целью открытия/закрытия; при этом подача воздуха к приводам обеспечивается 5-ходовым соленоидным клапаном (133).
Действие 5-ходовых соленоидных клапанов (133) основано на поочередных периодах открытия/закрытия, которыми электрически управляет контроллер (200) времени или таймер, в котором оператор может выбирать время открытия. На фиг.5 двойной сплошной линией проиллюстрированы электрические линии, то есть главная питающая линия (210) и линии (220) управления 5-ходовыми клапанами; пневматические линии (136), подающие воздух в соленоидные клапаны (133), показаны пересеченными косыми линиями. Механизм управления также содержит общий выключатель (230) и привод (240) криогенного клапана (112), выполненный с возможностью подачи жидкого азота из питающей трубы (111), ведущей из складского резервуара (500), показанного на фиг.7.
В простом варианте выполнения установки таймер (200) задают вручную, и начало любого цикла заморозки для контейнера также выполняют вручную, после того, как только оператор расположит указанный контейнер под комплектом форсунок (131). Старт таймера (200) и таким образом распределение жидкого азота выполняется при нажатии кнопки (250) привода.
Следует отметить, что дно резервуара (121) выровнено, и таким образом высота жидкого азота одинакова в любой точке, вследствие чего обеспечивается однородное гидростатическое давление, как продемонстрировано в сравнительных испытаниях, выполненных с целью определения потенциальной разницы потоков среди этих восьми форсунок в испытательном оборудовании. Изменения уровня жидкого азота в резервуаре поддерживаются в минимуме регулятором (310) уровня.
Испытания состояли в распределении жидкого азота через восемь форсунок, расположенных в соответствии с работой установки, замораживающей пищевые продукты, помещенные в контейнер (600) лоткового типа, как показано на фиг.8, описанный в международной заявке WO 2007/011199 (Маккиси, 2007), с форсунками, расположенными в центре каждой полости и пронумерованными согласно шаблону (700), показанному на фиг.9. Результаты испытаний приведены ниже в Таблице 1.
ТАБЛИЦА 1
Испытание на однородность количества азота, распределенного через восемь форсунок в испытательной установке
Время (сек)
Распределенный жидкий азот (КГХ1000) на форсунку
1
2
3
4
5
6
7
8
1
5,0
5,0
5,0
5.0
5,0
5,0
5,0
5,0
2
10,0
10,0
10,0
9,0
9,0
10,0
10,0
10,0
3
15,0
16,0
16,0
16,0
15,0
15,0
16,0
16,0
4
21,0
21,0
21,0
22,0
22,0
22,0
22,0
22,0
5
30,0
31,0
32,0
29,0
31,0
32,0
32,0
30,0
6
38,0
38,0
38,0
37,0
38,0
39,0
38,0
37,0
7
50,0
51,0
51,0
51,0
52,0
51,0
52,0
53,0
8
59,0
60,0
59,0
60,0
60,0
59,0
60,0
59,0
9
65,0
66,0
66,0
67,0
66,0
67,0
68,0
67,0
10
75,0
75,0
76,0
76,0
76,0
76,0
77,0
77,0
Из Таблицы 1 видно, что измерения отражают однородность распределения; по графику на фиг.10 можно оценить минимальные изменения распределенных объемов.
Контейнер для транспортировки объектов, подлежащих заморозке, должен быть выполнен с возможностью размещения каждой порции пищевых продуктов (или отдельного объекта) в одной секции и быть достаточно узким для размещения объекта в центре каждой секции и таким образом расположения каждой форсунки именно в таком центре. Секция может иметь любую форму, предпочтительно такую, в которой объект, подлежащий заморозке, размещен свободно.
Для размещения контейнера в положении, проиллюстрированном на фиг.1, установка согласно изобретению дополнена транспортером (140), то есть роликовым конвейером, занимающим заданное расстояние перед корпусом установки, достаточное для размещения на нем контейнера; контейнер транспортируют до его расположения под форсунками (131) для заморозки, и затем выполняют следующий этап обработки пищевых продуктов.
В испытании, для определения температурного профиля при прохождении через камеру (150) с изолированными стенками, были заморожены образцы рулетов суши, содержащие термопару 1 в центре рулета и термопару 2 во внутренней стенке самого внешнего слоя рулета. Подробности указаны в Таблице 2, приведенной далее. Следует отметить, что испытательный рулет был заморожен в контейнере с другими 6 рулетами, и таким образом данные в Таблице 2 представляют собой значения для всех 7 рулонов.
ТАБЛИЦА 2
Примерные характеристики испытания
Рулон с термопарой
Время LN2
Термопары
Время испытания
Температура среды
"Пикантный сурими"
25 сек
1 в середине
30 мин
7°C
1.650 КГ
2 в стенке
1,4223 м<sup>3</sup>
Заданная доза жидкого азота, необходимая для заморозки всего рулета с характеристиками компонентов, использованных для его приготовления, применялась в течение 25 секунд с результатами, показанными на фиг.11; при этом наблюдается сильное воздействие температуры в течение короткого времени до понижения температуры ниже -170°C и увеличенный период времени достижения температуры -21°C, равный 15 минутам, при расположении продукта в окружающей среде с температурой 7°C.
Указанный период времени достаточен для окончательной обработки продукта без его физических изменений.
В предпочтительном варианте реализации изобретения транспортер (140) используют для формирования низкотемпературной камеры (150) с изолированными стенками, в которой создают обогащенную азотом и обедненную кислородом воздушную среду, с температурой, достаточно низкой для обеспечения контакта жидкого азота с обработанным объектом для продолжения его охлаждения (в зависимости от характеристик самого продукта) и поддержки профиля температурного распределения в замороженном объекте.
Транспортер (140) имеет выход (160), через который выпускают газообразный азот, произведенный нагревом жидкого азота, вышедшего из форсунок (131), под действием окружающего воздуха или поверхности объекта, подлежащего заморозке, и контейнера; всасывание (обеспеченное экстрактором, соединенным с выходным трубопроводом (190) камеры (150)) формирует экран у входа в камеру (150), предотвращающую распространение газообразного азота в области, где присутствует персонал; произведенный газообразный азот также направляется вдоль камеры (150) выше и ниже замороженных контейнеров (180), как обозначено стрелками; низкотемпературная камера (150) ограничена в удаленном конце выходом (170), функция которого эквивалентна функции выхода (160), описанного выше. Газообразный азот удаляют через трубопровод (190), соединенный с экстрактором (не показан), и выпускают в атмосферу.
На фиг.7 показана принципиальная схема, иллюстрирующая узел, необходимый для работы установки (100) согласно изобретению, содержащий складской резервуар (500) для жидкого азота, последовательность (510) клапанов для регулировки потока жидкого азота к питающей трубе (111) для подачи жидкого азота в фазовый разделитель, и изоляцию (520), необходимую для уменьшения потерь холода за счет переноса тепла из окружающей среды. Следует отметить, что использование установки согласно изобретению и проиллюстрированного на чертеже узла снижает потребность в жидком азоте, а также в обслуживающем персонале, помещении и пространстве, тем самым уменьшая сопутствующие затраты.
С функциональной точки зрения, установка, предложенная в изобретении, сопоставима по своим рабочим характеристикам, но улучшает оборудование, имеющееся в настоящее время в продаже, которое традиционно используют для того же вида деятельности, что и оборудование, работа которого основана на действии иммерсионных трубок. В испытаниях, выполненных для сравнения рабочих характеристик, были получены результаты, которые показаны в Таблице 3:
ТАБЛИЦА 3
Сравнительный анализ использования жидкого азота для продукта, обработанного на той же основе
Иммерсионная трубка
Установка согласно изобретению
Продукция (КГ)
7,500
7,500
Чистое потребление жидкого азота (м<sup>3</sup>)
19,983
15,112
Расход м<sup>3</sup>/КГ сек
2,664
2,015
Некоторые преимущества использования установки согласно изобретению, по сравнению с другим оборудованием для обработки пищевых продуктов, таковы.
Существенно улучшено качество любых замороженных пищевых продуктов благодаря прямому контакту жидкого азота с пищевыми продуктами, подлежащими заморозке.
Питательные свойства пищевых продуктов остаются неизменными благодаря воздействию сверхнизкой температуры и высокой скорости заморозки, при этом пищевые продукты остаются совершенно безвредными.
Срок годности существенно увеличен по сравнению с любым другим типом заморозки, с сохранением исходных характеристик и свойств пищевых продуктов.
В процессе обработки создаются микрокристаллы льда, которые не вредят мембранам клеток пищевых продуктов и консервируют исходные характеристики и свойства пищевых продуктов.
Способ обеспечивает распределение точных доз жидкого азота, необходимых для заморозки пищевых продуктов.
Благодаря сверхбыстрому дозированию заморозка пищевых продуктов существенно сокращена во времени до нескольких секунд в зависимости от скорости теплопередачи и количества пищевых продуктов.
Возможно использование постоянной поточной линии, поскольку пищевые продукты, подлежащие заморозке, размещены в своей конечной упаковке.
Способ предлагает высокую степень безопасности, поскольку отсутствует прямой контакт персонала с жидким азотом.
Существенно уменьшены потери продукта, поскольку контакт с продуктом устранен немедленно после его заморозки в конечной упаковке.
Некоторые преимущества, относящиеся к необходимым затратам, таковы:
Существенно уменьшены капиталовложения, так как стоимость установки и узла составляет примерно от 30% до 40% от капитальных затрат, связанных с известными установками.
Уменьшена потребность в объеме рабочего пространства примерно до 80% от необходимого для известных установок.
Некоторые преимущества, связанные с эксплуатационными расходами, таковы.
Уменьшена стоимость заморозки за счет снижения потребления жидкого азота благодаря точному дозированию, которое помогает избежать чрезмерного потребления главным образом за счет рассеяния в окружающей среде.
Значительно уменьшены потери продукта за счет сокращения операции по его обработке, увеличения эффективности и производительности при заморозке благодаря точному дозированию жидкого азота.
Приведенное выше описание настоящего изобретения основано на предпочтительном варианте реализации изобретения, осуществленного исключительно с иллюстративными целями, в котором установка содержит восемь форсунок для распределения жидкого азота; однако специалисту понятно, что в упомянутом предпочтительном варианте реализации изобретения могут быть выполнены изменения для приспособления установки к конкретным рабочим условиям каждого конкретного пользователя. Например, в проиллюстрированном варианте реализации изобретения с восемью форсунками некоторые из них могут быть временно закрыты, с использованием уменьшенного количества форсунок, например 4. Подобным способом установка, первоначально спроектированная для работы с дюжиной форсунок, может быть приспособлена к работе с уменьшенным количеством форсунок, т.е. с 10, 8, 6, 4 или 2 форсунками, без ограничения уменьшения по парам.
Поскольку гидростатическое давление на дно резервуара в области распределения однородна, расположение отверстий и, следовательно, связанных с ними форсунок может быть изменено при изготовлении для выполнения требований конкретного применения. Дополнительно возможна модификация геометрии вертикальной стенки резервуара с приданием ему цилиндрической формы, или плоскодонной обычной призмы, без существенного влияния на профили распределения жидкого азота по форсункам.
Специалисту понятно, что ручные операции, описанные в связи с проиллюстрированной установкой в предпочтительном варианте реализации изобретения, могут быть замещены автоматическим регулированием, обеспечивающим работу поточных линий массового производства.
Эти и другие изменения, которые могут быть очевидными для специалиста, должны рассматриваться в объеме изобретений, в свете следующих пунктов приложенной формулы.