ВведениеВ последние годы наблюдается значительныйрост интереса к технологиям применения диоксидауглерода (CO2) как хладагента. Основными преиму-ществами применения диоксида углерода в системаххолодоснабжения являются его высокая эффектив-ность и безопасность для окружающей среды в срав-нении со многими другими холодильными агентами.Ввод новых и ужесточение существующих эколо-гических норм является общемировой тенденцией. Всвязи с этим все большее число хладагентов попада-ют под запрет. Наиболее явной альтернативой для ихзамены являются природные хладагенты, проблемаразвития технологий применения которых становит-ся все более актуальной.Диоксид углерода относится к группе хладаген-тов, имеющих природное происхождение, нарядус аммиаком, пропаном, бутаном, водой и др. СО2имеет нулевой потенциал разрушения озонового слояЗемли (ODP = 0), что является эталонным значенияединицей для расчета потенциала глобального по-тепления (GWP = 1). Несмотря на то что СО2 содер-жится в окружающем нас воздухе и необходим дляпротекания различных жизненно важных процессов,влияние диоксида углерода на экологию в целомнеоднозначно. Ряд исследований показывает, чтоувеличение концентрации газообразного диоксидауглерода в атмосфере приводит к такому явлению,как глобальное потепление. Стоит отметить, чтоприродные холодильные агенты обладают рядомнедостатков. Например, аммиак токсичен, пропанвзрывоопасен, а у воды низкая температура кристал-лизации, что очень сильно ограничивает областьприменения [1]. Диоксид углерода не является ток-сичным или горючим веществом. Напротив – широкоприменяется в системах пожаротушения.Разрабатываемая нами технология отличновписывается в предложенное новое соглашение,которое начнет действовать с 2022 г., цель которого– предотвратить увеличение средней температурына планете на 2 °С. Одним из пунктов соглашения поограничению выбросов предусматривается введениевнутренних «цен на углерод», то есть налога дляпредприятий за выброс углекислого газа сверх уста-новленной нормы. Ведется также речь о том, что с2019 г. планируется начать мониторинг промышлен-ных предприятий по выбросам, который будет произ-водиться в несколько этапов. Минприроды совместнос Минэкономразвития разрабатывают для предпри-ятий методику отчетности по выбросам парниковыхгазов. Компании и предприятия, выбросы которыхбудут превышать 150 000 т углекислоты – эквивален-та за год, должны будут до конца 2019 г. обеспечитьпередачу отчетности о выбросах Росприроднадзору.К началу 2020 г. предоставлять подобные сведениябудут уже все производства с годовыми выбросамиболее 50 000 т. После этого будет создана системапроверки данных и отчетности и введены инструмен-ты финансового воздействия, т. е. установлен налого-вый сбор [2].Таким образом, в будущем ожидается спрос про-мышленных предприятий на всевозможные способыутилизации бросовых парниковых газов, в том числеуглекислого газа. Для внедрения данного метода впромышленность как одного из способов утилизацииуглекислого газа, являющегося бросовым продуктомпроизводимым спиртоперерабатывающими предпри-ятиями, нами проведен ряд исследований по охлаж-дению форели с применением CO2.На мировом рынке охлажденная рыба пользует-ся повышенным спросом. Сектор ее производстваотносится к одному из быстрорастущих. Для зна-чительной группы потребителей важен удобный вприготовлении формат продукции: выбирая охлаж-денную продукцию, покупатель экономит время наразморозке и получает более качественный продукт.Также метод, основанный на применении диоксидауглерода, обладает рядом преимуществ перед тради-ционными способами охлаждения [3].Существует ряд традиционных способов охлаж-дения рыбы: охлаждение рыбы холодным воздухом,холодной жидкостью, льдом, диоксидом углерода.Для воздушного охлаждения используется современ-ное технологическое оборудование с использованиемхладагента: камеры, бонеты и пр. Способ охлаждениярыбы в холодной воде достаточно прост и не требуетэкономических затрат, но рыбу, мясо которой имеетнежную консистенцию, не рекомендуется хранить вохлажденной морской воде, так как это приводит кнабуханию (потере товарного вида), просаливанию,потере экстрактивных азотистых соединений и водо-растворимых белков [4].Способ охлаждения рыбы водным льдом являет-ся наиболее распространенным. Для этого способаиспользуют естественный лед, который добываютзимой из различных водоемов [5]. Заготовка такогольда весьма сложный процесс. Санитарное состоя-ние льда низкое, при хранении в теплое время годапотери составляют до 50 % от общей массы заготов-ленного льда. Для получения искусственного льдаприменяют ледогенераторы, для работы которыхнеобходима водопроводная воды, что приводит кдополнительным затратам. Форма искуственногольда может быть различной (блочный, трубчатый,чешуйчатый). Она определяется конструкцией ледо-генератора [6].На сегодняшний день наиболее подходящимспособом для охлаждения цельной рыбы считает-ся метод, основанный на применении «бинарнойсмеси» [7]. Такое сочетание охлаждённой воды иthe cooling time and the amount of water ice. The study of quality indicators of trout proved that the environment of water iceand carbon dioxide increased its shelf life by several times. The paper contains temperature graphs and duration curves at differentconcentrations of CO2.Keywords. Ice, cooling, dioxides, food, thermograms, heat fluxFor citation: Neverov EN, Korotkih PS. The Method of Carbon-Dioxide Recovery in Fish-Processing Industry. Food Processing: Techniques andTechnology. 2019;49(3):383-389. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.21603/2074-9414-2019-3-383-389.385Неверов Е. Н. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 3 С. 383–389мелкокристаллического льда позволяет сохранитьтоварный вид рыбы, так как исключает нанесениемеханических повреждений. Также обеспечиваетбольшую площадь контакта с поверхностью про-дукта, так как легко заполняет пространство междутушками рыбы. Традиционные методы охлаждениярыбы отличаются рядом недостатков: охлаждениельдом осуществляют при непродолжительном хра-нении перед обработкой рыбы [8]. Следствием этогоявляются: невысокая скорость и неравномерностьохлаждения рыбы, малое использование полезногообъема тары, таяние льда, деформация вызванныенепосредственным контактом рыбы со льдом. Крометого, невозможно обеспечить создание необходимыхзапасов льда, так как все виды искусственного льда,за исключением блочного, подвержены деформациипод воздействием давления, т. е. произойдет слежи-вание в однородную плотную массу. Для того чтобыкомпенсировать эти недостатки, нами предложенатехнология охлаждения рыбы (форели) с использова-нием среды «водный лед и CO2» как дополнительно-го охлаждающего средства [9].Объекты и методы исследованияВ качестве основного экспериментального мате-риала послужили термограммы процессов и кривыеизменения плотности тепловых потоков во времени.Пользуясь термограммами процесса охлажденияфорели, определяли снижение температуры слоёвтушки рыбы и длительность сублимации снегообраз-ного диоксида углерода.Коэффициент теплоотдачи определялся по фор-муле Ньютона-Рихмана на основании эксперимен-тально полученных значений плотности тепловогопотока.Холодильную обработку тушки форели продол-жали до достижения нормируемой температуры вовсех слоях тушки рыбы [6].Тушку форели массой 0,8 ± 0,05 кг охлаждали встандартном контейнере максимальной вместимо-стью 50 л. В первом случае использовали водный ледмассой 2 кг, во втором случае – водный лед 1,6 кг иснегообразный СО2 480 г (30 % от массы льда). Габа-ритные размеры контейнера – 0,9×0,6×0,4 м. Массуохлаждаемой рыбы определяли взвешиванием. Изме-нение температуры рыбы в камере контролировалосьпри помощи хромелькопелевых термопар, введенныхв тушку форели под чешую на глубину 3 мм и в наи-более толстую часть тушки (вблизи позвоночника) наглубину 0,002 и 0,004 м. Сигнал с термопар поступаетна контроллер температуры [10]. Измерение плот-ности теплового потока на наружной поверхностиосуществлялось при помощи зонда теплового потока,сигнал с которого поступает на измеритель тепловогопотока ИПП. Температуру рыбы и температуру в кон-тейнере в процессе охлаждения измеряли периодиче-ски с помощью контроллера температуры (ТРМ-138).Результаты и их обсуждениеНа рисунке 1 показана термограмма процессаохлаждения форели водным льдом, при температуреокружающей среды 20 ± 2 °С, при этом температураохлаждающей среды составляла около 0 ± 2 °С. Мас-са форели 1,10 ± 0,05 кг.Проведя анализ полученной диаграммы, можноутверждать следующее: процесс охлаждения наруж-ного слоя тушки более интенсивный, так как поверх-ность наружного слоя находится в непосредственномконтакте со льдом. Затем наблюдается выравниваниетемпературы на поверхности и её приближение ктемпературе охлаждающей среды.Центральная часть тушки (на расстоянии 20 мм отпозвоночника) охлаждается уже за счет теплоотводаот наружной поверхности, которая соприкасается сольдом.Охлаждение внутреннего слоя (на расстоянии40 мм от позвоночника) происходит ещё менее ин-тенсивно, так как теплоотвод от внутренней полостипроисходит уже через все слои к расположенному наповерхности водному льду.На последнем этапе процесса охлаждения про-исходит выравнивание температурного поля во всехслоях тушки рыбы до значения близкого к темпера-туре охлаждающей среды [11].В целом процесс охлаждения всех слоев тушкирыбы водным льдом составил 195 мин, что показалонизкий темп охлаждения. Расход водного льда соста-вил 0,9 кг.Диаграмма плотности теплового потока на на-ружной поверхности тушки форели при охлажденииРисунок 1. Термограмма процесса охлаждения форелив среде «водный лёд»Figure 1. Thermogram of cooling the trout in water iceРисунок 2. Изменение плотности теплового потокапри охлаждении форели в среде «водный лёд»Figure 2. Changes in the heat flow density when coolingthe trout in water ice386Neverov E.N. et al. Food Processing: Techniques and Technology, 2019, vol. 49, no. 3, pp. 383–389льдом представлена на рисунке 2. Температура окру-жающей среды при данном эксперименте составила20 ± 2 °С.На основании полученных экспериментальныхданных среднеинтегральное значение плотноститеплового потока форели на наружной поверхноститушки составляет около qср = 200 Вт/м2, максималь-ное значение плотности теплового потока на наруж-ной поверхности тушки qmax = 1100 Вт/м2 [12].В начальный момент времени, когда разницатемператур между тушкой и льдом максимальна, мыможем наблюдать наиболее интенсивный процесстеплоотвода, а следовательно, и максимальную плот-ность теплового потока. При дальнейшем снижениитемпературы тушки наблюдается падение плотноститеплового потока в конце процесса приближаясь кнулевому значению [13].На основании полученных экспериментальныхданных среднеинтегральное значение коэффици-ента теплоотдачи с наружной поверхности тушкиñð α ср = 5,1 Вт/м2·K. Максимальное значение коэффици-ента теплоотдачи max α = 19,1 Вт/м2·K.В связи с тем, что темп охлаждения низкий и, какследствие, продолжительность охлаждения увели-чена, расход водного льда значительный. С цельюпоиска наиболее эффективного и рациональногоспособа охлаждения рыбы была проведена следую-щая серия исследований с применением диоксидауглерода [8]. Эксперименты проводились с неразде-ланной форелью массой 1,10 ± 0,05 кг. Расход водно-го льда составил 0,9 кг.На рисунке 3 представлена динамика понижениятемпературы на поверхности и в центре тушки рыбыв процессе охлаждения в среде «водный лёд + снего-образный СО2 – 20 %». Масса форели 1,10 ± 0,05 кг.Измерения проводились аналогично приведен-ному выше эксперименту. Поле температур соответ-ствует предыдущему эксперименту по охлаждениюфорели водным льдом.На основании анализа термограммы можно сде-лать заключение, что процесс охлаждения тушкифорели в среде водного льда и снегообразного СО2при 20 % подачи диоксида углерода происходит бо-лее интенсивно во всех слоях тушки форели, чем впредыдущих экспериментах. Это связано с тем, чтотемпература водного льда в начальный момент ох-лаждения значительно снижается до –75 °С и посте-пенно повышается. Но темп ее повышения гораздониже, что позволяет сократить продолжительностьпроцесса охлаждения в данном случае составляет145 мин, а также дополнительно сократить расходводного льда до 0,4 кг.На рисунке 4 изображен график плотности тепло-вого потока, построенный по данным, полученнымпри проведении экспериментального исследованияпо охлаждению тушки форели в среде «водный лёд +снегообразный СО2 – 20 %».В первые минуты эксперимента значение плот-ности теплового потока достигает наивысшейточки аналогично предыдущему эксперименту. Од-нако пиковое значение плотности теплового потока1800 Вт/м2 больше. Это объясняется тем, что раз-ность температур между продуктом и теплоотводя-щей средой несколько выше и это приводит к болееинтенсивному теплоотводу от тушки форели. Далеетемпература тушки форели начинает интенсивнопадать и регистрируется резкое снижение плотноститеплового потока, тогда как при охлаждении воднымльдом снижение плотности теплового потока проис-ходит постепенно и более длительно [14].Помимо большой разницы температур охлаждаю-щих сред это так же связано и с тем, что добавлениеСО2 позволяет максимально длительно поддерживатьтемпературу водного льда на низком уровне и пре-дотвращает его быстрое таяние. Коэффициент те-плоотдачи при данном методе охлаждения составил:ñð α ср = 6,0 Вт/м2·K. Максимальное значение достиглоотметки max α = 22,3 Вт/м2·K.Дальнейшие эксперименты проводились с увели-чением концентрации диоксида углерода. На рисунке5 представлены схема расположения термопар итермограмма процесса охлаждения тушки форелимассой 1,10 ± 0,05 кг снегообразным СО2. Продолжи-тельность охлаждения рыбы составило 30,7 минут.В процессе построения и анализа данной термо-граммы было установлено, что охлаждение внешнегослоя рыбы проходит достаточно интенсивно, поверх-ностные слои рыбы находятся в контакте с снегооб-разным СО2 через газовую прослойку, образованнуюпри сублимации снегообразного СО2. ПроисходитРисунок 3. Термограмма процесса охлаждения форели всреде водного льда с добавлением 20 % диоксида углеродаFigure 3. Thermogram of cooling in water ice with 20% of carbondioxideРисунок 4. Изменение плотности теплового потока приохлаждении форели в среде водного льда с добавлением20 % диоксида углеродаFigure 4. Changes in the heat flow density when cooling the trout inwater ice with 20% of carbon dioxide387Неверов Е. Н. [и др.] Техника и технология пищевых производств. 2019. Т. 49. № 3 С. 383–389подмораживание мяса рыбы. Далее происходитснижение темпа охлаждения. Данный факт можнообъяснить началом процесса фазового перехода, прикотором начинается образование кристаллов льда инаблюдается скрытое выделение теплоты [15].Охлаждение центральной части тушки происхо-дит за счет теплопроводности через наружные слоии внутреннюю полость. Процесс аналогичен охлаж-дению поверхностных слоев, но разница во временисоставила порядка 7 минут.Охлаждение внутреннего слоя тушки форели про-исходит уже менее интенсивно, так как отсутствуетнепосредственный контакт с диоксидом углерода, иобъясняется теорией о распространении температур-ного поля от поверхности к его центру [16].Процесс изменения плотности теплового потокаот наружной поверхности тушки неразделанной фо-рели при охлаждении снегообразным СО2 представ-лен в виде диаграммы на рисунке 6.Согласно экспериментальным данным среднеин-тегральное показатель плотности теплового потокаот внешних слоев рыбы равняется qср = 560 Вт/м².Максимальное значение плотности теплового потокасоставило max q = 2390 Вт/м². Данный метод холодиль-ной обработки позволяет достичь высокой интен-сивности теплообмена, так как полученные значенияплотности теплового значительно выше, чем притрадиционных способах охлаждения.На начальном этапе проведения экспериментанаблюдается рост плотности теплового потока додостижения пикового значения. Затем происходитплавное снижение [17]. Данный процесс связан стем, что в начале эксперимента температурный напормежду тушкой форели и снегообразным диоксидомуглерода максимален. На следующем этапе происхо-дит постепенное снижение температуры (до 10 мину-ты), которое по временному промежутку совпадает суменьшением значения теплового потока. На заклю-чительном этапе температура стабилизируется в связис началом процесса кристаллообразования в верхнихслоях рыбы [11]. Среднеинтегральное значение коэф-фициента теплоотдачи составляет ñð α ср = 10,2 Вт/м²·К, амаксимальное его значение max α = 32,1 Вт/м²·К.ВыводыАнализируя полученные данные, можно сде-лать вывод, что с повышением концентрацииснегообразного диоксида углерода снижается темпе-ратура охлаждающей ледяной смеси на весь периодохлаждения, что приводит к сокращению временихолодильной обработки. Но при использовании ох-лаждения в снегообразном диоксиде углерода наблю-дается подмораживание [18].С повышением концентрации диоксида углеродапродолжительность сублимации значительно увели-чивается, что при охлаждении водным льдом рыбыпозволит уменьшить расход льда и соответственноэлектроэнергии на привод двигателя компрессора ивентилятора конденсатора холодильной установкильдогенератора, а также сократить продолжитель-ность охлаждения форели [19].Применение диоксида углерода в рыбоперераба-тывающей промышленности позволяет эффективноего утилизировать в небольших количествах. Исполь-зование СО2 в сочетании с водным льдом позволяетсократить расход водного льда и диоксида углеродадля охлаждения рыбы, а также предотвратить подмо-раживание форели и уменьшить продолжительностьохлаждения. Снегообразный диоксид углеродаотличается высокими теплофизическими показате-лями. Кроме того, он не вызывает усушку продукта,предотвращает набухание и частичное просаливаниепродукта, вымывание органических и минеральныхвеществ из тканей рыбы [20]. Позволяет экономитьзначительную часть энергии необходимую для про-изводства водного льда. Поэтому при производствеохлажденной рыбы данная технология будет являть-ся наиболее эффективной.Конфликт интересовАвторы заявляют об отсутствии конфликта инте-ресов.