Принцип работы автоклава

Тот или иной вид консервов – мясных, рыбных или овощных – в своей жизни хоть раз ел практически каждый человек. Ценность таких продуктов обусловлена внушительным сроком годности – консервы могут стоять на полке по нескольку лет и при этом не терять своего вкуса, структуры и других свойств. Немногие знают, что для фабричных консервов, как и для домашних заготовок, требуется стерилизация, а также пастеризация.

• Паровой автоклав: принцип работы
• Разновидности автоклавных установок
• Выгоды от применения автоклава
• Конструкция автоклава
• Применение автоклавов
• Принцип работы автоклава
• Преимущества автоклава
• Как пользоваться автоклавом в домашних условиях
• Виды автоклавов
• Строение автоклава
• Технология приготовления консервов

Разница в том, что при промышленных масштабах производства для этих процессов используется специальное оборудование – паровой промышленный автоклав. Главной задачей является создание во внутренней камере высокого давления и последующего нагрева помещенной внутрь продукции. Это обеспечивает повышенную устойчивость консервированной пищи к внешним воздействиям, она дольше остается пригодной для использования и одновременно сохраняет вкусовые качества.

Паровой автоклав: принцип работы

В общем виде автоклав – это специальный резервуар, в котором происходит обработка пищевой продукции. Современные модели исполняются в 2 вариантах: замкнутые либо оснащенные крышкой. Размеры и объем рабочей камеры автоклава могут быть различными. Для использования в домашних условиях предлагаются компактные модели объемом до 18 л, чего более чем достаточно для производства консервов для личного потребления.

В промышленности же применяются аппараты вместимостью до нескольких сотен квадратных метров. Температура нагрева в закрытой камере автоклава может достигать 500 градусов. При использовании других видов оборудования достичь таких значений практически нереально. В основе рабочего принципа устройств этого типа лежит возможность разогрева воды при определенных условиях до температур свыше 100ºC.

В стандартных условиях это невозможно – при достижении 100ºC она из жидкого состояния начинает переходить в газообразное – проще говоря, она начинает активно испаряться. Самое же главное, что в дальнейшем температура больше 100ºС не поднимается. Поэтому при дальнейших попытках нагреть воду до более высоких значений она попросту испарится.

При использовании же пищевых автоклавов промышленного либо бытового назначения благодаря особым условиям удается разогреть воду до большего значения:

• При достижении в камере аппарата температуры 90ºC влага начинает интенсивно испаряться.
• В результате перехода воды из жидкого состояния в газообразное внутри создается избыточное давление.
• Резервуар перед запуском герметично закрывается, поэтому пар не выходит наружу, и при достижении определенной его концентрации испарение останавливается.
• По мере увеличения внутреннего давления нарастает и температура внутри рабочей камеры.
• Формируется т. н. латентное тепло, которое способно проникать глубоко в структуру продуктов и уничтожать даже споры патогенных организмов.

Таким образом, производственный автоклав нужен для полноценной стерилизации консервов, чего невозможно достичь при использовании обычных методов тепловой обработки. Более того, и при домашнем приготовлении консервов такое оборудование существенно упрощает и ускоряет процесс переработки плодово-овощного урожая.

Разновидности автоклавных установок

Важной особенностью этого оборудования является тот момент, что при стерилизации продуктов оно постоянно двигается. В зависимости от характера движения выделяют следующие виды автоклавов:

• Качающиеся;
• вращающиеся.

Различаются автоклавы и техническими характеристиками используемых теплообменников.

По этому основанию выделяют 3 типа оборудования:

• Наружные;
• выносные;
• внутренние.

В первом случае обменник устанавливается на внешней стороне аппарата. В выносных вариантах он размещается отдельно. Во моделях внутреннего типа теплообменник располагается внутри рабочей камеры.

Особенности применения и технического устройства автоклава во многом зависят также от типа используемой для работы энергии. Выбирать ту или иную модель следует с учетом доступности тех или иных энергоресурсов. В частности, газовый автоклав в промышленности будет рациональным решением в том случае, если ваше предприятие газифицировано. Универсальным же вариантом станет электрическая модель.

На рынке представлены модели механического, пневматического, а также электромагнитного типа.

Различия заключаются и в особенностях расположения рабочей камеры:

• Промышленный вертикальный автоклав привлекает компактными размерами. Для работы такого оборудования в большинстве случаев используется электричество. Особенно востребованы такие модели в лабораториях различного профиля. Устройства для домашнего использования, тоже, как правило, имеют вертикальный форм-фактор, однако их габариты значительно меньше.
• Промышленный горизонтальный автоклав более крупный, однако такая форма позволяет размещать на корпусе сразу 2 загрузочных люка. Такое решение достаточно удобно – емкости с продуктами можно закладывать через один люк, а вынимать после стерилизации через другой. При этом каждая конкретная модель имеет различную длину.

Основными показателями, которые требуют контроля со стороны оператора, являются уровень жидкости в камере, создаваемая температура и давление. Выпускаемые сегодня модели оснащаются высокоточными контрольно-измерительными блоками, что существенно упрощает использование оборудования.

Выгоды от применения автоклава

• Можно консервировать в собственном соку, без добавления дополнительной воды;
• полезные вещества и свойства продуктов сохраняются практически полностью;
• можно производить диетическую продукцию и смеси для детского питания;
• благодаря созданию вакуума готовая продукция сохраняет больше сока;
• можно использовать минимум жиров, соли, сахара и прочих добавок;
• относительно традиционных методов приготовления автоклавная стерилизация происходит минимум в 2 раза быстрее.

Конструкция автоклава

Современные промышленные автоклавы являются сложными высокотехнологичными аппаратами, обладающими большой производительностью. По конструкции автоклавы бывают вертикальные, горизонтальные, вращающиеся, качающиеся и колонные. Автоклав имеет вид сосуда (камеры, цилиндра), который на время работы закрывается специально подогнанными сферичными крышками, обеспечивающими его полную герметичность, т. к. в нём происходит нагрев продукта под давлением до высоких температур.

В вертикальных автоклавах (характеризуются компактной конструкцией) водяная среда нагревается в основном при помощи специальных трубчатых электрических нагревателей (тэнов), расположенных внутри нижней части камеры автоклава. Такие автоклавы получили широкое распространение для использования в лабораторных условиях. В горизонтальных автоклавах (рис.) чаще используется газовый обогрев, который характеризуется минимальным временем нагрева и большей гибкостью эксплуатации. Такие автоклавы применяются, как правило, в промышленности для обработки композитных материалов. Это лучший вариант классического автоклава, так как имеет простой монтаж,  занимает небольшую площадь и не требует системы диатермического обогрева. Кроме этого, расходы на процесс термической обработки изделия у такого автоклава значительно ниже, чем при использовании электрического автоклава. Существуют модели горизонтального автоклава и со спиральным теплообменником, которые являются примером энергосберегающих технологий. Спиральный теплообменник позволяет работать с любым изделием, однако его стоимость значительно выше газового, кроме этого, он имеет и длительный срок окупаемости. Вращающиеся автоклавы применяют для работы с суспендированными (суспензированными, взвешенными) твёрдыми или кашицеобразными веществами (для выщелачивания минеральных концентратов разнообразных металлов и руд). Автоклав имеет вид герметичного сосуда со съёмной крышкой, которая прикреплена к корпусу при помощи уплотнительной прокладки и шпилек. Снаружи крышки монтируется запорный кран с многослойным фильтром. Качающиеся автоклавы позволяют выполнять перемешивание веществ в таких упаковках, для которых стерилизация в обычных автоклавах считается неприемлемой. Колонные автоклавы обычно используются для создания глинозёма из бокситов (позволяют снизить трудовые и временны́е затраты в процессе их получения).

Автоклавы изготовляют из высококачественных сталей, алюминия и других металлов, которые нередко покрывают химически стойкими материалами (эмалью, фторопластами). Корпус конструируют методом сваривания или склёпывания звеньев с выпуклыми днищами. В корпусе делают специальные отверстия (крышки), через которые удобно загружать материалы. Пар подаётся к перфорированной трубе через штуцер, а конденсат удаляется через спускной клапан. В электрических автоклавах система подачи нагретого пара отделена от рабочей камеры. Пар подаётся в камеру через патрубок от котелка, снабжённого электронагревательным элементом с регулятором степени нагрева. Чтобы избежать больших тепловых потерь, внешние поверхности автоклава покрыты тепловой изоляцией, что способствует интенсификации технологического процесса.

Конструкция и основные параметры промышленного автоклава разнообразны: ёмкость от нескольких десятков кубических сантиметров до кубометров; предназначаются для работы под давлением до 150 МПа (1500 кгс/см²) при температуре до 500 °C. Как правило, современные промышленные автоклавы в диаметре составляют от 1,2 м до 7,6 м, в длину – от 1,9 м до 40 м. При проведении в автоклаве физико-химических процессов используются давления до 300 МПа и температуры до нескольких тысяч градусов.

Применение автоклавов

Автоклавы применяют для научных исследований (лабораторные автоклавы), в медицине, биологии, металлургии, химической, резиновой, пищевой промышленности, при производстве стройматериалов.

Основная часть автоклавов, используемых в медицине и биологии, – герметически закрывающийся резервуар с двойными стенками, выдерживающими высокое давление. Если процесс стерилизации осуществляется без воздействия высокого давления, то используют термин стерилизатор либо сушильный шкаф. Медицинские автоклавы применяют для стерилизации хирургического перевязочного материала и инструментов, посуды и некоторых приборов для выращивания микроорганизмов, обеззараживания инфицированного материала, уничтожения культур болезнетворных микроорганизмов, при создании изделий из карбонового волокна, для придания им твёрдых форм и т. п. В межстенное пространство (водопаровая камера) заливается дистиллированная вода. При нагревании водяной пар поступает в стерилизационную камеру, повышая в ней давление и температуру (выше 100 °С).

В металлургии (гидрометаллургии, см. также Автоклавное выщелачивание) с помощью автоклавов выполняется очистка растворов металлов от примесей и процесс восстановления драгоценных и редкоземельных металлов после выщелачивания из подготовленных растворов. Объём аппарата может изменяться от десятков кубических миллиметров (лабораторные импульсные автоклавы) до нескольких сотен кубометров (горизонтальные автоклавы для окисления Ni-концентратов). Для агрессивных жидкостей используют автоклавы из нержавеющей стали, а также аппараты, футерованные коррозионно- и термостойкими покрытиями или плитками. Используют цилиндрические или сферические автоклавы, работающие при 260 °С и давлении 6 МПа, и автоклавные установки типа «труба в трубе» (во внешнюю трубу подают теплоноситель, во внутреннюю – нагреваемую смесь), работающие при температуре  менее 300 °С.

В химической промышленности автоклавы применяются при производстве гербицидов, органических полупродуктов и красителей, в процессах синтеза. Для проведения разнообразных химических реакций данный аппарат называют химическим реактором. В случае необходимости перемешивания продукта используются автоклавы с бессальниковыми мешалками и экранированным электродвигателем, не требующим уплотнения.

В резиновой промышленности автоклавы используются для вулканизации или отверждения многих резиновых или пластиковых изделий.

В пищевой промышленности автоклавы применяются для стерилизации, пастеризации продуктов (в т. ч. консервов), приготовления пищи и др. Используются вертикальные и горизонтальные автоклавы широкого спектра разновидностей, размеров и принципов действия. Например, в горизонтальных автоклавах для пищевой промышленности может создаваться необходимое противодавление по отношению к каждой отдельно взятой упаковке с продуктом, что позволяет проводить стерилизацию продуктов не только в жёсткой таре (стеклянная, железная), но и в мягкой и полужёсткой упаковке.

Производство строительных материалов, в частности силикатных, базируется на гидротермальном синтезе гидросиликатов кальция, который осуществляется в реакторе-автоклаве в среде насыщенного водяного пара с давлением 0,8–3 МПа и температурой 175–200 °С. В данном производстве большой объём работ составляет процесс получения извести для сырьевой смеси. В технологический процесс производства извести входят следующие операции: добыча известкового камня в карьерах, дробление и сортировка его по фракциям, обжиг в шахтных вращающихся и других печах, дробление или помол комовой извести (получение негашёной извести). Получение сырьевой смеси осуществляется двумя способами: барабанным и силосным, которые отличаются друг от друга приготовлением известково-песчаной смеси.

В наши дни почти все элементы зданий и сооружений (панели, плиты перекрытий, элементы лестниц и др.) могут быть изготовлены из армированного силикатного бетона, который по своим свойствам почти не уступает железобетонным, а благодаря применению местных сырьевых материалов и промышленных отходов обходится на 15–20% дешевле, чем аналогичные железобетонные элементы на портландцементе. На современных автоклавных установках изготавливают  газобетон и пенобетон. Их широко применяют в строительстве коммерческих и жилых зданий разного назначения и этажности. Газобетон и пенобетон могут быть применены как для несущей конструкции, так и для межкомнатных перегородок и в качестве перемычек. Автоклавный метод изготовления газобетона и пенобетона является основным, так как в автоклаве создаются оптимальные условия для твердения смеси, а использование управляемого автоклавного процесса позволяет получить газобетон и пенобетон с заданными техническими характеристиками.

Так же изготавливают ячеистый бетон, силикатные блоки и панели, облицовочные, теплоизоляционные материалы и другие изделия. Автоклавы используются для изготовления плёночного триплекса. При использовании автоклавной технологии обеспечиваются улучшенные оптические характеристики стекла, повышается его влагостойкость и т. п. При производстве триплекса применяют туннельные или тупиковые автоклавы. Внешне они представляют собой трубу 3–6 м в диаметре и 15–20 м в длину, закрываемую крышкой с байонетными затворами (тупиковыми с одной стороны, туннельными с двух сторон). Вдоль по длине автоклава расположены рельсы для вагонеток с изделиями. Автоклавы оборудованы магистралями для впуска насыщенного пара, перепуска отработанного пара в другой автоклав, выпуска пара в атмосферу или в утилизатор и для конденсатоотвода.

Принцип работы автоклава

Принцип работы автоклава прост: за счет избыточного давления автоклав позволяет поднять температуру стерилизации выше температуры кипения воды на 20-30°C. Хотя большинство вредных микроорганизмов погибают при температуре +80-100°C, есть несколько микроорганизмов, цисты которых выдерживают это испытание. Например, возбудитель ботулизма гарантированно погибает лишь при длительном воздействии температуры +113-120°C.

Помимо стерилизации автоклав позволяет объединить утомительные операции по приготовлению консервов. Готовя консервы в автоклаве можно избежать предварительной варки продукции и последующей стерилизации. 

Консервы в бытовом автоклаве готовят так:

1. Продукты, предназначенные для консервирования, отмеряют и тщательно перемешивают с солью и специями, согласно рецепту.
2. Стеклянные банки тщательно моют и осматривают на предмет сколов и трещин.
3. Продуктовая смесь раскладывают по банкам так, чтобы между крышкой и продуктом было расстояние 2-3 см.
4. Банки закатывают закаточной машинкой и устанавливают внутрь автоклава, на поддон, в один ряд, либо в несколько рядов одна на другую.
5. Автоклав наполняется водой так, чтобы крышки верхнего ряда банок скрылись под водой на 2 см. Большее количество воды лишь увеличивает время нагрева до рабочей температуры.
6. Крышку автоклава закрывают и герметично завинчивают болты или винты крепления крышки.
7. Внутрь автоклава нагнетается избыточное давление 1-1,2 кгс/см2 (0,1-0,12 МПа) автомобильным насосом или компрессором. В промышленных условиях в автоклав нагнетают пар, давлением 1,5-2 кгс/см2, предварительно слив конденсат.
8. Автоклав включают в сеть или ставят на газовую плиту, на самую большую конфорку. По мере нагрева давление в автоклаве возрастает до 2-3 кгс/см2.
9. При рабочем давлении консервы стерилизуются 20-40 минут, затем нагрев выключают и плавно снижают температуру и давление до нормальной величины (атмосферное давление).

Преимущества автоклава

• делает вкусные заготовки с сохранением всех полезных веществ, естественного цвета, целостной формы;
• убивает болезнетворные бактерии, уничтожает споры;
• вмещает в себя большое количество банок;
• существенно сокращает время приготовления мяса, солений, фасоли, кукурузы, горошка, овощных заготовок, соков, грибов.

Устройство

Герметичная емкость состоит из загрузочной камеры, крышки с запорными механизмами для герметизации, штуцера для прикрепления насоса.

На корпусе установлены контрольно-измерительные приборы – манометр (показывает давление газа и жидкостей в замкнутом пространстве), градусник, клапан аварийного сброса.

Популярные модели приборов для домашней консервации изготовлены из нержавеющей стали.

Стандартные размеры аппарата: 22 литра (вмещается 14 банок по 0,5 л), 46 л (22 банки по 0,5 л), 125 л (48 банок по 0,5 л).

Еще одна важная характеристика – источник подогрева.

Некоторые модели нагреваются на газовой плите, бензиновой горелке, другие подходят только для электрических плит.

Автономные автоклавные установки, предназначенные для домашнего консервирования, работают от электросети – в них встроены ТЭНы.

Как пользоваться автоклавом в домашних условиях

Технология приготовления закаток в приборе несложная.

Помойте бытовой автоклав, затем расфасуйте продукты по банкам, закатайте консервными крышками.

Установите банки в прибор для консервирования. Дальнейшие действия будут отличаться в зависимости от вида аппарата:

• Автоклав с накачкой давления. Банки залейте холодной водой на 2-3 см, затем накачайте воздух до уровня давления 1 атм. Прогрейте прибор до температуры 100-120°С и удерживайте этот показатель 60-70 минут (зависит от рецепта). После приготовления дайте аппарату остыть, затем спустите воздух с помощью предохранительного клапана.
• Автоклав без накачки давления. Домашнее консервирование в таком приборе еще проще. Закатанные банки загрузите в специальные кассеты, защищающие от срыва крышек. Залейте автоклав водой, не доливая до верхнего края бака 2 см. Закройте крышку прибора, поставьте аппарат на плиту и следите за соотношением температуры-давления. Когда домашняя консервация приготовится, отключите нагрев и подождите, пока автоклав остынет до комнатной температуры.

Соотношение температуры и давления

Для каждого автоклава разное соотношение этих показателей, более подробно с параметрами можно ознакомиться в инструкции по эксплуатации. Числа зависят от объема прибора, интенсивности нагрева, особенностей конструкции. Конкретные значения вы узнаете опытным путем по ходу работы. Небольшой электрический автоклав, работающий от электросети, через 5 часов работы показывает на термометре 120°С при давлении 4,7 атм. Приборы, нагревающиеся на плите, быстрее достигают рабочих параметров. Большинство домашней консервации готовится при температуре не выше 120°С и 4,5 атм.

Виды автоклавов

Газовый

Этот вид аппарата для домашнего консервирования греется на газовой плите. Если хозяйка решила выбрать его, то при заказе она должна оценить вес прибора – поднять автоклав с банками и водой на высоту бывает очень непросто. Оптимальный вес аппарата – 8 кг. Днище должно быть ровным и иметь толщину не меньше 3 мм. Лучше покупать товар у проверенных производителей, которые создают автоклавы много лет.

Электрический

Такой прибор более удобен для хозяек, поскольку его можно поместить на небольшой высоте возле розетки. Еще один плюс электрического автоклава – работа в автономном режиме. Терморегулятор поддерживает нужные показатели в течение отведенного времени. Мощность у аппаратов разная. Маленькие приборы объемом 22 л потребляют 2 кВт, средние автоклавы на 46 л – 3,2 кВт. Напряжение в сети должно составлять 200 В.

Строение автоклава

Технология приготовления консервов

1. В вымытую стеклянную тару наливается вода на уровень 1—2 см от дна.
2. Начальный пищевой продукт смешивается со специями и прочими ингредиентами согласно рецепту, после чего раскладывается по банкам и сразу закатывается крышками.
3. Баночки устанавливаются на поддон внутрь емкости в несколько рядов (прямо одна на другую). Затем бак наполняется водой до уровня 60—80 мм ниже горловины. При этом крышки последнего ряда посуды должны погрузиться на 1—2 см.
4. Люк автоклава закрывается и привинчивается, затем накачивается насосом через вентиль. Величина избыточного давления внутри камеры должна составлять 1—1.5 Бар (0.1—0.15 МПа).
5. Аппарат подогревается на газовой плите либо другим способом до тех пор, пока давление не возрастет до 3.5—4 Бар. Этот показатель поддерживается в течение определенного времени, нужного для готовности консервы (рыбным шпротам достаточно 20 мин, курице – полчаса, а говяжьей тушенке потребуется не менее 40 мин).
6. Нагрев отключается и емкость остывает до комнатной температуры вместе с банками, после чего воздух стравливается через вентиль и агрегат разгружается.

Заводской стерилизатор на фото работает без предварительной накачки воздухом

Работа автоклава для домашнего консервирования основана на принципе повышения температуры кипения воды за счет увеличения давления в сосуде. Находясь в обычных условиях, она закипает при 98—100 °С. Если же создать в закрытом резервуаре избыток величиной 1 Бар, то эта граница сдвинется до 120 °С, а при 1.5 Бар – почти до 127 градусов. Таким образом, происходит ускоренная варка овощей (мяса) с попутным уничтожением всех видов бактерий и вирусов, выживающих при обычном кипении.