Файл: Materialoznavstvo_2013_pravl_1.doc

Технологічні середовища харчових виробництв

Технологічні середовища харчових виробництв за складом і властивостями можна умовно розділити на органічні й неорганічні. До органічних середовищ відносяться органічні сполуки рослинного і тваринного походження, до неорганічних – хімічно активні водні розчини неорганічних кислот, лугів, солей та інші.

Сильними корозійно-активними середовищами є середовища хлібопекарського виробництва, до яких належать сольові розчини, рідкі дріжджі й запари для їх приготування, житнє тісто, опара, тісто з пшеничної муки і деякі напівфабрикати. Продуктами бродіння заквасок, тіста і напівфабрикатів хлібопекарського виробництва є: етиловий спирт, вуглекислий газ, різні органічні кислоти, головним чином молочна й оцтова, деякі альдегіди і складні ефіри. Кислотність може змінюватися в межах рН 6,0–4,2.

Середовища цукрового виробництва, як правило, нейтральні або слабокислі (рН = 6–7, t = 14–45 °С): ставкова і річкова вода з різним вмістом твердих речовин (0,005–30 г/л) і розчинених солей, дифузійний сік із вмістом 15 %-го водного розчину цукру.

Середовища сокоочисних відділень цукрового виробництва за своїм складом різноманітніші й мають підвищену лужність (рН = 8–14, t = 65–96 °С). Вони містять вапняне молоко, у різній кількості гідроксид кальцію, вуглекислий кальцій, оксид кремнію й інші зважені частинки, що мають достатньо високі абразивні властивості.

Середовища продуктового відділення – слаболужні (рН 8–9) із вмістом великої кількості цукру (25–65 %).

Технологічні середовища виноробного виробництва агресивні до вуглецевих сталей. Агресивність різних сортів вин визначається вмістом у них цукру і спирту, який значно коливається залежно від сорту вина. Так, наприклад, столові (сухі) вина не містять цукру, а лише 9–14 % спирту, кріплені вина містять 8–10 % цукру і 16–20 % спирту, солодкі десертні вина – 8–20 % цукру і більше 13 % спирту, столові напівсолодкі вина – 3–7 % цукру і 7–12 % спирту.

Середовища спиртного виробництва є корозійно-активними, оскільки можуть містити сухі речовини, незброджений цукор, органічні кислоти, складні ефіри, сивушні масла, альдегіди й інше. До цих середовищ можна віднести брагу (зернову, патокову, очеретяну), спирт-ректифікат, спирт-сирець, барду (зернову, очеретяну, ацетонобутилову), а також горілку і різні лікери.

Специфічні умови харчових виробництв (корозійно-активні харчові середовища, миючі й дезінфікуючі розчини, підвищена температура, висока швидкість досягнення робочих середовищ, значні перепади тиску) визначають особливі вимоги до вибору матеріалів під час конструювання технологічного устаткування.

Характеристика устаткування для харчових виробництв

У харчовій промисловості подрібнення здійснюють у наступних цілях: для підготовки сировини, доведення продукту до необхідної консистенції, утилізації відходів сировини.

Значна частина продуктів, що використовується в харчовій промисловості, під час подрібнення легко піддається деформації і має велику вологість, наприклад, м'ясо, хліб, овочі, риба і так далі. Ці продукти належать до умовно твердих.

Основна вимога до матеріалів – зносостійкість. У разі використання стрічкових змішувачів для змішування твердих сипких продуктів з їх одночасним зволоженням, матеріали повинні мати ще й антикорозійні властивості.

До окремого класу належать машини для перемішування пластичних (тістоподібних) продуктів. Змішування пластичних продуктів відрізняється від перемішування рідин, оскільки з підвищенням консистенції матеріалу, що змішується, зменшується його швидкість руху в мережах змішувача і знижується турбулентність.

У більшості технологічних процесів температурні режими знаходяться в інтервалі температур від -30 до 180 °С, хоча відомі технологічні процеси з використанням ще нижчих, зокрема криогенних температур.

Транспортуючі пристрої в харчових виробництвах використовуються як для транспортування сировини і продукції між технологічним устаткуванням, так і для виконання різноманітних технологічних операцій переробки продукції. Практично всі види сировини і продуктів можуть транспортуватися трубами (закритими і відкритими).

У якості матеріалу для виготовлення труб використовуються скло, кераміка, пластмаса, сталь, алюміній, мідь і мідні сплави. Внутрішні поверхні труб повинні мати гладку поверхню з метою зменшення гідравлічних втрат.

Для транспортування в'язкопластичної і пластичної продукції матеріал труб повинен володіти ще і антиадгезійними властивостями.

Для транспортування сипких матеріалів і мілкої продукції до матеріалів труб пред'являються вимоги щодо зносостійкості і антифрикційних властивостей.

Під час технологічного транспортування продукції стрічки можуть або охолоджуватися до температури -30 °С (наприклад, заморожування пельменів) або нагріватися до температури близько 240–280 °С (випічка хлібобулочних виробів).

Надійність і працездатність технологічного устаткування

Високі вимоги щодо надійності технологічного устаткування харчових виробництв обумовлені тим, що в більшості випадків відмови в роботі призводять до порушення технологічного процесу і втрат продукту.

Як правило, моральний термін служби сучасного устаткування не перевищує 5 років, фізичний термін служби під час проектування закладається в межах 5–7 років. З іншого боку, необхідно знати, як задається час амортизаційних відрахувань, протягом якого вартість устаткування повністю списується на собівартість продукції, що випускається.

Для елементів технологічного устаткування, що контактує з харчовими середовищами або миючими засобами, особливо важливу роль має корозійна стійкість. Корозійна стійкість – здатність поверхонь елементів машин і апаратів протистояти дії харчових середовищ, продуктів, миючих і дезінфікуючих розчинів з урахуванням теплових дій, швидкостей проходження робочих середовищ, значних перепадів тиску і так далі.

Знос є найбільш характерним видом руйнування поверхонь робочих органів і деталей устаткування.

Вимоги до матеріалів для устаткування харчових виробництв

Розрізняють фізичні, хімічні, технологічні, механічні, трибологічні, санітарно-гігієнічні властивості матеріалів.

У харчовому машинобудуванні особливо важливу (і до певної міри специфічну) роль відіграють хімічні і санітарно-гігієнічні властивості матеріалів.

Хімічні властивості матеріалів

Найважливішою умовою використання матеріалів у будь-якій конструкції є їх сумісність із робочим середовищем.

Технологічні процеси харчових виробництв проходять за високих і низьких температур, високого тиску і вакууму, великих швидкостей потоків і тривалої витримки харчових середовищ у стані спокою, зі змінами рН середовищ у широкому діапазоні і супроводжуються іншими чинниками, що обумовлюють агресивність харчових середовищ.

Багато харчових середовищ є електролітами, тому корозія в них носить електрохімічний характер. Хімічна природа електроліту обумовлена наявністю у складі середовищ кислот і мінеральних речовин. Кількість і ступінь дисоціації кислот і мінеральних речовин, в основному, і визначають агресивність середовища.

На різних етапах технологічного процесу хімічні властивості середовищ змінюються, у зв'язку з чим знижується або підвищується їх корозійна дія на поверхню апаратів.

Безпосередній контакт із технологічними і харчовими середовищами, тривала безперервна робота, абразивна дія деяких харчових продуктів, агресивний вплив навколишнього середовища, миючих і дезінфікуючих розчинів, а також інші специфічні умови визначають особливі вимоги до вибору і призначення конструкційних матеріалів.

Апарати харчових виробництв піддаються періодичній дії агресивних миючих і дезінфікуючих розчинів: 1–2 %-ої соди каустичної, 5–10 %-ий соди кальцинованої, 2 %-ий сірчаної кислоти, 2 %-ий соляної кислоти, 3 %-ої азотної кислоти, 0,2–0,5 %-ий перманганату калію та ін. Найбільш агресивну дію на технологічні апарати мають кислотні дезінфектори і дезінфікуючі розчини.

У харчових галузях хімічній корозії піддаються тільки деякі апарати і комунікації допоміжних цехів (холодильно-компресорних, вуглекислотних). Устаткування технологічних цехів в основному піддається електрохімічній корозії. Залежно від агресивності середовища й умов протікання електрохімічних процесів, поширені наступні її види:

• атмосферна (дія на устаткування і металоконструкції поза будівлями за наявності забрудненого повітря промисловими газами);

• ґрунтова (руйнування підземних газопроводів, водопроводів, каналізаційних мереж, теплотрас, металоконструкцій, підземних споруд);

• електрична (вплив блукаючих струмів на метали);

• кислотна (розчини азотної, сірчаної, соляної кислот під час дезинфекції, молочної кислоти під час підкислення і т. д.);

• сольова (руйнування насосів розсолів, трубопроводів, батарей охолоджування, випарників, устаткування натрій-катіонних установок і т. п.);

• лужна (лужні миючі і дезінфікуючі розчини особливо сильно руйнують металоконструкції мийних машин, повітряні системи вентиляції цехів розливу);

• контактна (у випадку контакту двох різнорідних металів, що мають різні потенціали);

• біологічна (руйнування продуктопроводів, апаратури, металевих і залізобетонних конструкцій, розташованих у ґрунтах).

Бетонні і залізобетонні конструкції, ємкості, фундаменти устаткування харчових підприємств піддаються інтенсивній корозійній дії: фізичній, біологічній і фізико-хімічній.

Хімічна корозія виникає за дії органічних кислот харчових середовищ на складові частини цементного каменя бетону і залізобетону.

Біологічна корозія є наслідком життєдіяльності мікроорганізмів на поверхні будівельних конструкцій, змочених харчовими середовищами.

Фізико-хімічна корозія викликає руйнування будівельних конструкцій, наприклад, під час теплообміну з навколишнім середовищем, під час дії рідких харчових продуктів у результаті замерзання.

Залежно від середовища, матеріали покриттів можуть бути абсолютно або відносно нестійкі (наприклад, поліхлорвініл нестійкий у житній заквасці).

В органічних кислотах, цукрі, миючих і інших речовинах, що містяться в середовищах харчових виробництв, стійкість полімерів достатньо велика. Універсальну стійкість до харчових середовищ мають композиції на основі епоксидної смоли. Стійкість захисних покриттів із різних полімерів, проявляється шляхом зміни зовнішнього вигляду і здібності до набухання. Під дією деяких органічних середовищ харчових виробництв вона змінюється в широких межах.

Санітарно-гігієнічні вимоги

Матеріали, що використовуються в устаткуванні харчових виробництв, повинні проходити санітарно-гігієнічний і токсикологічний контроль. За несприятливих умов окремі полімерні матеріали або мономери, що містяться в них, низькомолекулярні з'єднання і різні складові частини можуть негативно впливати на здоров'я людей і на якість харчових продуктів. Несприятливий вплив на здоров'я може мати прояв як у вигляді гострих отруєнь, що виявляються через декілька годин або днів, так і у вигляді хронічних отруєнь, що виявляються протягом місяців.

Із погляду гігієнічної і токсикологічної оцінки, матеріали можна розділити на наступні групи:

1) допущені органами Державного санітарного нагляду для контакту з харчовими продуктами;

2) допущені для контакту з визначеними харчовими продуктами;

3) допущені для контакту з харчовими продуктами тільки в особливих умовах;

4) не допущені для застосування в харчовій промисловості внаслідок токсичності або зміни складу під час контакту з харчовими продуктами;

5) не допущені для застосування в харчовій промисловості внаслідок невивченості гігієнічних і токсикологічних властивостей або знаходяться у стадії досліджень.

Різноманітність властивостей матеріалів є головним чинником, що зумовлює їх широке застосування в техніці. Матеріали мають відмінні властивості, кожна з яких зумовлюється особливостями внутрішньої будови матеріалу. У зв'язку з цим матеріалознавство як наука займається вивченням будови матеріалу в тісному зв'язку з їх властивостями. Основні властивості матеріалів можна підрозділити на фізичні, механічні, технологічні та експлуатаційні.

Знання будови, фізичних та механічних властивостей матеріалів дозволить робити правильний вибір під час конструювання обладнання для переробної промисловості.