Możliwości wykorzystania autoklawów w przemyśle mięsnym

[Maxell]

Możliwości wykorzystania autoklawów w przemyśle mięsnym

 

 

Jednym ze sposobów obróbki termicznej często stosowanym w przemyśle mięsnym i spożywczym jest pasteryzacja i sterylizacja. Zabiegi te prowadzone są z zastosowaniem różnego typu autoklawów. Ta grupa urządzeń jest powszechnie wykorzystywana głównie do sterylizacji konserw i środków spożywczych w zakładach przetwórstwa mięsnego i owocowo – warzywnego. Procesy utrwalania produktów żywnościowych, w tym wyrobów mięsnych, mają na celu przedłużenie ich trwałości i przydatności do spożycia oraz zachowanie i utrzymanie w niezmienionym stanie.

 

Zabezpieczając mięso przed niekorzystnym wpływem czynników chemicznych (utlenianie), fizycznych (temperatura, światło) lub biologicznych (mikroorganizmy) można spowolnić proces psucia oraz zapobiec zmianom smaku, zapachu, a w niektórych przypadkach, również wyglądu. Jedną z wielu metod umożliwiających utrwalenie mięsa, jest wytwarzanie jego wyrobów poprzez zamknięcie wsadu w hermetyczne opakowania, a następnie ich obróbka termiczna. W ten sposób uzyskujemy produkt gotowy do bezpośredniego spożycia. Podstawowym zabiegiem termicznym po umieszczeniu wsadu do opakowania i jego hermetycznym zamknięciu jest tzw. autoklawowanie, czyli proces cieplny prowadzony często pod zwiększonym ciśnieniem w temperaturze 90-100^oC, i powyżej. W trakcie tego procesu uzyskuje się pełne wyjałowienie (sterylizację) produktów żywnościowych, przy jednoczesnym uzyskaniu pożądanych efektów technologicznych i smakowo-zapachowych produktu finalnego. Procesy obejmujące sterylizację żywności w opakowaniach realizowane są za pomocą urządzeń nazywanych powszechnie autoklawami. Zasadniczym elementem roboczym każdego autoklawu jest hermetycznie zamykany i oprzyrządowany zbiornik o zróżnicowanej pojemności, który służy do ogrzewania zapakowanego wsadu pod zwiększonym ciśnieniem i w podwyższonej temperaturze. Autoklawy są stosowane nie tylko do sterylizacji żywności, ale także w innych operacjach lub procesach wymagających ogrzewania w warunkach zwiększonego ciśnienia np. do chemicznej hydrolizy białka. Autoklawy do sterylizowania żywności w opakowaniach mogą pracować w sposób okresowy lub ciągły, przy czym urządzenia pracujące okresowo mają standardowe rozwiązania dotyczące przystosowania do sterylizacji zarówno w wodzie jak i parze. Ich zbiorniki ciśnieniowe umieszczane w płaszczyźnie pionowej lub poziomej pozwalają na automatyczny załadunek i wyładunek obrabianych produktów. Z kolei sterylizatory przystosowane do pracy ciągłej mogą mieć różne rozwiązania konstrukcyjne, dotyczące wykorzystania systemów kontrolno-pomiarowych i monitorujących. Nowoczesne autoklawy wyposażone są w sterowanie komputerowe, pozwalające między innymi selekcjonować i analizować w sposób ciągły zmienne dotyczące temperatury wsadu przed sterylizacją, parametry pary wodnej i wody chłodzącej, a także szybkości ogrzewania i chłodzenia.

 

Przeznaczenie i charakterystyka techniczna autoklawów

 

Autoklawy przeznaczone są do gotowania, wygrzewania w próżni, gotowania ciśnieniowego, pasteryzacji i sterylizacji w parze bądź w wodzie. Niezależnie od typu i modelu urządzenia konstrukcja przykładowego autoklawu składa się ze zbiornika głównego o grubych ściankach, zdolnych wytrzymywać wysokie ciśnienie oraz pokrywy o równie grubych ściankach, posiadającej masywny mechanizm zamykania. Ta część podzespołów tworzy mocne i szczelne połączenie całego zespołu ciśnieniowego. Ponadto w urządzeniach tych montowany jest manometr wskazujący panujące wewnątrz nadciśnienie, termometr do odczytu panującej wewnątrz temperatury oraz zawory ciśnieniowe, pełniące rolę zabezpieczenia przed rozerwaniem w przypadku powstania wewnątrz autoklawu zbyt wysokiego ciśnienia. Przemysłowe urządzenia przeznaczone do pasteryzacji (lub gotowania) produktów mięsnych w opakowaniach pod ciśnieniem wykonane są w formie masywnych i dokładnie izolowanych zbiorników lub kotłów wychylnych. Obrabiane termicznie produkty w pojemnikach zanurzane są bezpośrednio w zbiorniku lub koszach, co umożliwia mechanizację uciążliwych prac załadowczo-rozładowczych związanych z prowadzeniem procesów obróbki termicznej. Czynnikiem przenoszącym ciepło może być (w zależności od budowy i przeznaczenia) gorąca woda lub para wodna. Obecnie na rynku dostępnych jest kilka typów autoklawów, które charakteryzują się zbliżoną zasadą działania, lecz zróżnicowanymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi. Ze względu na zasadę działania i budowę możemy wyodrębnić autoklawy wsadowe wodno-kaskadowe i autoklawy wsadowe wodno-natryskowe (fot. 1).

 

 

Zasada działania tych dwóch rodzajów autoklawów jest w istocie identyczna. Polega na tym, że głównym, bezpośrednim czynnikiem ogrzewającym (lub chłodzącym) sterylizowane konserwy jest przepływająca przez kosze z konserwami woda, cyrkulująca w systemie wewnętrznego obiegu wody w autoklawie.

W tego typu urządzeniach mamy do czynienia z ciągłą recyrkulacją wody procesowej, co znacznie poprawia wymianę ciepła pomiędzy produktem a medium sterylizującym (chłodzącym). Ponadto system dysz natryskowych umieszczonych po bokach i w górnej części kotła powoduje, że sterylizacja realizowana jest za pomocą jednorodnej mieszaniny pary wodnej, powietrza i wody. Główną zaletą takiego rozwiązania jest uzyskanie niemal idealnego rozkładu temperatury na całej objętości kotła. Stała temperatura i ciśnienie wewnątrz kotła zapewnia jednakową, wysoką jakość gotowego produktu. Bezpośredni wtrysk pary pozwala na redukcję jej zużycia, a tym samym zachować ustabilizowany balans temperatury. Kolejną zaletą tego typu urządzeń jest ciągła kontrola poziomu wody w kotle, pozwalająca minimalizować jej zużycie i redukować zapotrzebowanie pary wodnej. Do innych możliwości tej grupy autoklawów należy zaliczyć między innymi zastosowanie programowalnej kontroli poziomu ciśnienia wewnątrz kotła (rozwiązanie idealne podczas sterylizacji produktów pakowanych do elastycznych opakowań), czy możliwość wstępnego podgrzewania wody technologicznej (procesowej). Ta ostatnia cecha zapobiega niepotrzebnemu wychładzaniu produktu jakie ma miejsce podczas dochodzenia do temperatury sterylizacji z zastosowaniem początkowo zimnej wody procesowej. Zaletą też jest ciche i szybkie dochodzenie do właściwej temperatury sterylizacji. Dodatkowym ułatwieniem jest zastosowanie płytowego wymiennika ciepła, dzięki czemu nie ma potrzeby chlorowania, uzdatniania wody chłodzącej. Daje to możliwość odzyskiwania ciepła z wody używanej do chłodzenia produktu. Zasada działania tych urządzeń obejmuje realizację szeregu następujących po sobie procesów, prowadzonych przy założonych wcześniej parametrach techniczno-technologicznych. Na kompletny cykl pracy autoklawu składają się następujące operacje i jednostkowe:

 

• Wypełnianie autoklawu wodą technologiczną;

• Podgrzewanie wstępne i dochodzenie do właściwej temperatury sterylizacji;

• Sterylizacja właściwa;

• Schładzanie bezpośrednie lub poprzez wymiennik ciepła;

• Rozładunek.

 

Pierwszą czynnością którą należy wykonać na początku każdego rozpoczynającego cyklu pracy jest zalanie autoklawu wodą procesową. Jest to minimalna ilość wody, która podczas sterylizacji będzie służyła za czynnik grzejno-chłodzący. Woda jest recyrkulowana w obiegu zamkniętym, a jej poziom kontrolowany automatycznie i w razie potrzeby uzupełniany. Zazwyczaj po całym dniu pracy (po jednej zmianie) woda ta nie nadaje się do użycia ze względy na jej zanieczyszczenie. W określonym momencie, gdy w autoklawie znajduje się już odpowiednia ilość wody następuje załadunek koszy z produktem. Po zamknięciu włazu otwierają się zawory parowe oraz automatycznie załącza się pompa cyrkulacyjna. Mieszanina pary oraz wody rozpylanej z góry oraz po bokach kotła wytwarza konwekcyjne prądy o charakterze turbulentnym, które zapewniają jednolity rozkład temperatury w całej objętości kotła (zarówno w wolnych przestrzeniach jak i pomiędzy pojemnikami umieszczonymi głęboko w koszach. Różnice temperatur pomiędzy tymi obszarami sięgają przedziału zaledwie jednego stopnia. Ta faza trwa aż do osiągnięcia właściwej temperatury sterylizacji.

Podczas jej trwania następuje największe zużycie pary ponieważ następuje znaczne, szybkie podniesienie temperatury produktu wewnątrz opakowań. W momencie gdy właściwa temperatura sterylizacji zostanie osiągnięta autoklaw utrzymuje ją przez określony czas ustalony wcześniej przez operatora urządzenia. Dokładność kontroli temperatury wynosi w przedziale +/- 0,1^oC. Automatyka autoklawu czuwa również nad utrzymaniem stałego, zadanego poziomu ciśnienia wewnątrz kotła (+/- 0,02 bar). Po zakończeniu sterylizacji autoklaw rozpoczyna cykl wychładzania produktu. W początkowej fazie chłodzenie odbywa się to za pomocą mieszaniny wody zimnej i gorącej co pozwala zabezpieczyć produkt przed zjawiskiem szoku termicznego i nagłym spadkiem ciśnienia wewnątrz kotła. Podczas tej krótkiej fazy, wewnątrz autoklawu utrzymywane jest takie samo ciśnienie jak podczas sterylizacji. Dzięki czemu unika się powstawania lokalnych naprężeń opakowań które mogą powstawać podczas gwałtownego schładzania. Następnie otwierane są zawory doprowadzające do kotła zimną wodę, która zapewnia ostateczne schłodzenie produktu. Po wstępnym schłodzeniu rozpoczyna się faza zasadniczego schładzania realizowana z wykorzystaniem wymiennika płytowego ciepła. Gorąca woda procesowa z autoklawu po przejściu przez wymiennik ulega schłodzeniu i może służyć do chłodzenia produktu. Na tym etapie procesu należy zadbać o przyłączenie do wtórnego obiegu wymiennika maksymalnie zimną wodę. Mając zainstalowaną centralną instalację chłodzenia wody również wodę z tego etapu chłodzenia można recyrkulować w obiegu zamkniętym. Po ostatecznym schłodzeniu produktu urządzenia sterujące automatycznie wyrównują ciśnienie panujące wewnątrz kotła z ciśnieniem atmosferycznym. Poziom wody na dnie zbiornika umożliwia bezpieczne otwarcie drzwi załadunkowych. Drzwi wyposażone są w zabezpieczenia uniemożliwiające ich otwarcie w przypadku zbyt wysokiego poziomu wody lub ciśnienia w kotle.

Kolejną grupą maszyn służących do pasteryzacji i sterylizacji konserw owocowych, warzywnych, mięsnych, rybnych itp. są autoklawy leżące o konstrukcji koszowej. Do zasadniczych zespołów wchodzących w skład tych urządzeń zaliczamy zbiornik, pokrywę oraz kosze (zasobniki) na konserwy. Zbiornik wykonany jest w kształcie walca zamkniętego, zakończonego od dołu przyspawaną dennicą. Wewnątrz zbiornika, nad dnem jest zainstalowana wężownica parowa, a w górnej części – wężownica wodna. Pokrywa połączona zawiasowo ze zbiornikiem ma przeciwciężar ułatwiający jej otwieranie. Autoklaw może być wyposażony w jeden kosz wysoki lub dwa niskie wykonane z blachy perforowanej. Po wstawieniu kosza (koszy) z konserwami autoklaw zostaje napełniony wodą doprowadzoną z sieci miejskiej o ciśnieniu 0,4 MPa. Po zanurzeniu koszy z puszkami do sterylizacji poziom wody podnosi się aż do górnej krawędzi autoklawu. Po zamknięciu pokrywy i jej zablokowaniu, następuje wzrost ciśnienia, które wytwarzane jest za pomocą dostarczonego sprężonego powietrza. Następnie woda zostaje podgrzana parą do żądanej temperatury, utrzymywanej przez czas wymagany procesem technologicznym. Po zakończeniu sterylizacji konserwy są chłodzone, a następnie rozładowywane z koszy. Obróbka termiczna konserw z wykorzystaniem tych urządzeń prowadzi do skutecznego zniszczenia drobnoustrojów i uniemożliwia ich rozwój niezależnie od temperatury późniejszego przechowywania. Taki sposób przygotowania zapewnia dużą trwałość i bezpieczeństwo zdrowotne konserw. Procesy obróbki cieplnej wyrobów mięsnych można również realizować wykorzystując autoklawy o konstrukcji kotłów warzelnych ciśnieniowych (fot. 2).

 

 

Do podstawowych zespołów tych urządzeń zaliczamy zbiornik z płaszczem grzejnym i mechanizm przechyłu instalacji parowej. Kocioł jest wykonany z dwóch czasz :wewnętrznej kwasoodpornej i zewnętrznej ze stali węglowej. Przestrzeń ciśnieniowa utworzona została przez zamknięcie strefy między czaszami i pierścieniem łączącym. Zbiornik kotła jest wyposażony w króćce doprowadzające parę, zawory odpowietrzenia i odprowadzenia kondensatu oraz spustu kondensatu. Do zbiornika przyspawane są osie za pomocą których kocioł łożyskowany jest w podstawie. Mechanizmem przechyłu jest przekładnia śrubowa wyposażona w pokrętło. Na instalacji parowej jest zamontowany zawór bezpieczeństwa, rurka syfonowa oraz kurek i manometr. Kocioł po napełnieniu wsadem jest podgrzewany parą doprowadzoną do przestrzeni grzejnej. Opróżnianie kotła po ugotowaniu produktu odbywa się przez przechylenie go za pomocą mechanicznego przechyłu. Na rysunki 1 przedstawiono przykładowe nieco starszej konstrukcji schematy urządzeń do pasteryzacji surowców i wyrobów mięsnych pakowanych.

 

 

Urządzenia te składają się z prostokątnych zbiorników zamykanych pokrywą, wewnątrz wyposażonych w ciąg półek, które podtrzymują sita lub kaset z pojemnikami. Półki ustawia się jedna nad drugą w ten sposób, aby siatka z większymi otworami była na górze. Pod dolną siatką (rys. 2a) zamontowana jest wężownica, której powierzchnia grzejna dopasowana jest do wydajności urządzenia, a temperatura wody przeznaczonej do pasteryzacji waha się w granicach 70-75°C.

 

 

Istota, cel i warunki termiczne procesu autoklawowania

 

Obróbka cieplna produktów mięsnych pakowanych powinna być prowadzona według określonych procedur i z zachowaniem wymaganych warunków i parametrów. Głównym celem pasteryzacji i sterylizacji jest dezaktywacja drobnoustrojów wegetatywnych oraz przetrwalników, bakterii nie chorobotwórczych, chorobotwórczych i ich toksyn, a więc otrzymanie konserw i innych wyrobów pakowanych w postaci wyjałowionej. W praktyce produkcyjnej różne wielkości dawki cieplnej uzyskuje się w wyniku zastosowania kombinacji parametrów czasu i temperatury procesu wyjaławiania, a wielkość aplikowanej dawki jest uzależniona m.in. od: stanu mikrobiologicznego surowca, składu surowcowego (zawartość wody, mięsa i tłuszczu oraz dodatków nie mięsnych), rozdrobnienia farszu, gramatury i kształtu opakowań oraz przewidywanych warunków i czasu przechowywania.

Głównym celem pasteryzacji jest zniszczenie lub osłabienie funkcji życiowych drobnoustrojów w takim stopniu, aby nie mogły się rozwijać w gotowym produkcie, co w konsekwencji mogłoby doprowadzić do zepsucia się produktu i spowodowania zatrucia pokarmowego u konsumenta. Zakres destrukcyjnego działania temperatury jest uzależniony od jej wysokości oraz czasu oddziaływania w zakresie temperatur letalnych dla poszczególnych drobnoustrojów. Z kolei stopień unieszkodliwienia bakterii zależy od składu surowcowego konserwy i oporności cieplnej drobnoustrojów występujących w konserwie. Działanie wysokiej temperatury w określonym czasie powoduje częściową lub całkowitą inaktywację aparatu enzymatycznego, inaktywację częściową lub prawie całkowitą drobnoustrojów i zmianę własności organoleptycznych konserwy. Efekty te kumulują się w czasie działania temperatur wyższych od pewnych wartości progowych (TL). Przyjmuje się powszechnie, że dla procesu sterylizacji istotne efekty letalne uzyskiwane są powyżej TL=90°C, a w procesie pasteryzacji, powyżej TL= 0°C. Proces obróbki cieplnej dzieli się na dwie fazy:

 

• fazę ogrzewania, w czasie której temperatura czynnika grzejnego jest wyższa od temperatury konserwy,

• fazę chłodzenia, w której temperatura na zewnątrz konserwy jest niższa niż wewnątrz.

 

Wyróżnić można także fazę stacjonarną, szczególnie w procesie pasteryzacji, gdy temperatura na zewnątrz konserwy i w jej środku jest bardzo zbliżona. Faza chłodzenia realizowana jest często w otoczeniu innego czynnika niż faza ogrzewania. Sterowanie procesem obróbki termicznej jest możliwe przez regulowanie:

 

• temperatury czynnika grzejnego w fazie ogrzewania,

• czasu trwania fazy ogrzewania,

• temperatury fazy stacjonarnej,

• czasu trwania fazy stacjonarnej,

• temperatury czynnika chłodzącego,

• czasu trwania fazy chłodzenia.

 

Sterowanie to ma zapewnić m.in. wyjałowienie konserwy w strefie krytycznej na poziomie zapewniającym trwałość całej konserwie, całkowite lub częściowe zniszczenie enzymów własnych surowców biologicznych użytych do jej produkcji, odpowiednie cechy organoleptyczne i zachowanie składników cennych biologicznie. Wyjałowienie mikrobiologiczne jest celem o największym priorytecie i dopiero wtedy, gdy jest on osiągnięty, zwraca się uwagę na inne, pozostałe cele realizowanego procesu. Przestrzeganie odpowiednich zasad pozwala na znaczne ograniczenie przypadków psucia się konserw i gwarantuje w stopniu możliwie wysokim trwałość produktu, a więc jego jakość zdrowotną.

Do zasad tych należą:

 

• kontrola parametrów puszek w granicach przyjętych tolerancji,

• wyeliminowanie nieprawidłowości w konstrukcji puszek, spowodowanych niewłaściwym wykonaniem, zamykaniem lub mechanicznym uszkodzeniem,

• stosowanie wody chłodzącej o odpowiedniej jakości mikrobiologicznej oraz właściwych metod dezynfekcji wody,

• suszenie puszek po obróbce termicznej konserw,

• kontrola uszkodzeń puszek, właściwe mycie i dezynfekcja urządzeń służących do transportowania konserw po procesach obróbki termicznej,

• stosowanie właściwych metod operacyjnych (szczególnie chłodzenie pod ciśnieniem),

• wpajanie pracownikom zasad higieny osobistej, szczególnie mycia rąk,

• oddzielenie stref produkcyjnych od stref produktu gotowego, a także personelu zatrudnionego w tych częściach zakładu.

 

Podsumowanie

 

Uwzględniając zachowanie wymaganych warunków obróbki termicznej (pasteryzacji, sterylizacji, gotowania) konserw mięsnych i innych produktów pakowanych mamy na myśli przede wszystkim czynniki, które wpływają na temperaturę tego ogrzewania, czynniki zwiększające efektywność mikrobiologiczną tych procesów. Zmniejszając temperaturę obróbki do temperatury wymaganej technologicznie musimy przewidywać zmianę ciepłoodporności drobnoustrojów w zależności od aktywności wody i wartości pH konserwy. Łagodząc proces ogrzewania musimy sterować wartościami aktywności wody i pH, przez zastosowanie odpowiednich dodatków. W produkcji konserw mięsnych pasteryzowanych możliwe jest zastosowanie tzw. technologii „płotków”. Stosując taką technologię należy określić wpływ zmiany aktywności wody (a_w) i wartości (pH) na trwałość produktu końcowego, jakim jest konserwa lub produkt pasteryzowany. Sterując aktywnością wody, pH, ale również dobierając inne receptury zmieniające właściwości fizykochemiczne konserw, wpływamy na większość cech sensorycznych obrabianego produktu. Istnieją również z technologicznego punktu widzenia możliwości ustalenia takiego składu surowcowego (produktu lub procesu produkcyjnego), aby wyrób mięsny był trwały i spełniał wymogi konsumentów. Dodatek przypraw może powodować zwiększenie zanieczyszczenia mikrobiologicznego, a co za tym idzie, w tej sytuacji temperatura obróbki (pasteryzacji) nie będzie wystarczająca, aby zlikwidować te zanieczyszczenia. Dlatego też lepszym sposobem jest dodatek ekstraktów przypraw. Stosując np. pasteryzację konserw mięsnych mówimy często o temperaturze 72°C, jednakże w przypadku konserw typu SPP temperatura ta powinna być wyższa, niż 90°C, ponieważ zawsze powinniśmy brać margines błędu, przy wymogu, gdzie temperatura 72°C powinna być osiągnięta w centrum geometrycznym konserwy. W tych warunkach wszystkie formy bakterii są inaktywowane. Kontrola procesu ogrzewania konserw pasteryzowanych powinna się odbywać na podstawie stopni letalności L, obliczonych według nowoczesnego modelu uwzględniającego zmianę ciepłoodporności i możliwości regeneracji drobnoustrojów przy zmienionych wartościach aktywności wodnej i kwasowości (pH).

 

Autorzy: prof. dr hab. inż. Marian Panasiewicz dr hab. inż. Grzegorz Łysiak

 

 

[Maxell]

Artykuł wkleiłem dlatego, że zostały w nim opisane procedury technologiczne obowiązujące podczas procesów sterylizacji i pasteryzacji.