PROCESY PODSTAWOWE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI. PROCESY DYFUZYJNE. PROCESY ZWIĄZANE Z PRZENOSZENIEM MASY.doc

PROCESY I TECHNIKI PRODUKCYJNE (PRODUKCJI ŻYWNOŚCI)

W. 8.

PROCESY PODSTAWOWE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI. PROCESY DYFUZYJNE. PROCESY ZWIĄZANE Z PRZENOSZENIEM MASY.

Procesy w których zachodzi przemieszczanie się składnika lub składników między fazami lub w ramach tej samej fazy. Podstawową siły napędową procesów ruchu masy jest różnica potencjałów chemicznych. W szczególnych przypadkach  może to też być różnica wartości stężenia, ciśnienia lub temperatury.

Procesy dyfuzyjne. Przenoszenie masy.

·         Proces suszenie

·         Ekstrakcja

·         Krystalizacja

·         Rozpuszczanie

·         Destylacja i rektyfikacja

·         Procesy membranowe

Suszenie

Przemieszczanie się cieczy z ciała stałego do otaczającego gazu. Polega na usunięciu części wody z utrwalanego produktu przez jej odparowanie. Najstarsza metoda utrwalania żywności. Obniżenie zawartości wody w materiale obniża aktywność biologiczną i przez to może on być przechowywany przez długi okres bez objawów zepsucia.

              Do materiału suszonego ciepło może być dostarczane przez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie. Najczęściej stosuje się ogrzewanie konwekcyjne, w którym czynnik grzejny obmywa materiał lub przepływa przez warstwę suszonego produktu. Rzadziej stosuje się ogrzewanie przez przewodzenie, w którym materiał suszony spoczywa bezpośrednio na powierzchni grzejnej. Nagrzewanie materiału promieniami podczerwonymi stosuje się tylko w szcze­gólnych przypadkach.

              Proces suszenia wymaga, aby odparowana woda była w sposób ciągły usu­wana z otoczenia produktu. Najczęściej usuwanie wilgoci odbywa się w wyniku konwekcji, co powoduje, że ten sam czynnik może być użyty do dostarczania ciepła i odprowadzania odparowanej wody. W przemyśle spożywczym czynni­kiem tym jest powietrze, chociaż podejmowane są próby stosowania przegrzanej pary wodnej.

              Suszenie jest procesem równoczesnej wymiany ciepła i masy. Siłą napędową procesu suszenia jest różnica między prężnością pary               wodnej na powierzchni materiału a prężnością pary wodnej w otaczającym               gazie.

              Suszenie materiału wilgotnego odbywa się w urządzeniach zwanych suszarkami. Praktycznie każda suszarka składa się z trzech elementów: podgrzewacz (w którym czynnik suszący - powietrze - doprowadza się do żądanej temperatury), komory suszenia (w której czynnik suszący kontaktuje się z materiałem) oraz urządzenia wywołującego ruch czynnika suszącego. Materiał w komorze suszenia może być nieruchomy lub wprawiany w ruch. Ruch materiału skraca czas suszenia, ponieważ umożliwia kontakt całej powierzchni materiału z gorącym powietrzem.

Suszarki

-          suszarki konwekcyjne

o       suszarki komorowe

o       suszarki tunelowe

o       suszarki taśmowe

o       suszarki bębnowe

o       suszarki talerzowe i daszkowe (przesypowe)

o       suszarki rozpyłowe

o       suszarki fluidyzacyjne

-          suszarki kontaktowe

o       suszarki walcowe

o       suszarki z mieszadłami

Ekstrakcja

              Ekstrakcją nazywa się proces służący do częściowego lub całkowitego rozdzie­lania mieszaniny ciekłej albo stałej za pomocą rozpuszczalnika, w którym poszczególne skład­niki mieszaniny wykazują różną rozpuszczalność. Składnikami ekstrahowanymi mogą być ciała stałe lub ciekłe, które z innymi składnikami są zmieszane mechanicznie, tworzą roztwory albo mieszaniny ciekłe, np. emulsje.

              Ekstrakcja ma podstawowe znaczenie w przemyśle cukrowniczym przy ekstrakcji cukru z buraków cukrowych oraz w przemyśle olejarskim przy eks­trakcji tłuszczów z nasion roślin oleistych. Obserwuje się tendencje wprowadza­nia procesu ekstrakcji do nowych technologii, jak np. przy produkcji ekstraktów kawy i herbaty w przemyśle koncentratów spożywczych, produkcji soków owocowych i warzywnych w przemyśle owocowo-warzywnym, otrzymywaniu olejków zapachowych, czy produkcji barwników, witamin, enzymów.

              Materiał poddawany ekstrakcji, zwany surówką, kontaktuje się z odpo­wiednio dobranym rozpuszczalnikiem, zwanym ekstrahentem. Przy właściwym prowadzeniu procesu przeważająca ilość składnika ekstrahowanego przechodzi do rozpuszczalnika, dając ekstrakt. Pozostałość poekstrakcyjna nazywa się rafinatem.

              Stosowane w przemyśle spożywczym rozpuszczalniki (ekstrahenty) to:

-          woda (ługowanie)

-          rozpuszczalniki organiczne – roztwory kwasów organicznych i ich soli (kwas cytrynowy)

-          rozpuszczalniki neutralne (metanol, etanol, benzyna, heksan)

-          gazy obojętne (CO2, eter etylowy) – podwyższone ciśnienie

Urządzenia to ekstraktory.

-          z punktu funkcjonalnego dzielimy na ekstraktory do cieczy (ciecz-ciecz) i ciał stałych (ciało stałe-ciecz) o działaniu stałym lub okresowym

-          konstrukcyjnie na zbiornikowe, kolumnowe (poziome, pionowe oraz pochyłe)

-          taśmowe, koszowe

Krystalizacja

Wydzielanie ciała stałego z roztworu. Zjawisko występuje w roztworach przesyconych. Stężenie nasycenia w idealnym roztworze dwuskładnikowym zależy od właściwości substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika, temperatury, prędkości schładzania i intensywności mieszania.

Warunkiem koniecznym do powstania fazy krystalicznej w fazie ciekłej jest przesycenie roztworu, które w praktyce uzyskuje się albo przez zmianę temperatury roztworu (obniżenie), albo usunięcie części rozpuszczalnika, albo też obydwoma sposobami jednocześnie.

Krystalizacja w przemyśle spożywczym jest podstawową operacją służącą do uzyskiwania cukrów, aminokwasów, witamin oraz niektórych rodzajów tłuszczów (krystalizacja frakcyjna).

              Urządzenia do krystalizacji to krystalizatory. Ze względu na sposób osiągania przesycenia granicznego krystalizatory dzielimy na: aparaty z chłodzeniem i aparaty z odparowaniem rozpuszczalnika.  Krystalizatory mogą być urządzeniami o działaniu okresowym lub ciągłym.

Rozpuszczanie

              Rozpuszczanie jest to proces heterogeniczny przebiegający między ciałem stałym i cieczą, któremu towarzyszy przejście fazy stałej do roztworu. W prze­myśle pojęciem „rozpuszczanie" określany jest taki proces, w którym w odpo­wiednich warunkach występuje zanikanie fazy stałej (substancji rozpuszczanej).

              Aby ciało stałe mogło być rozpuszczone, musi mieć określoną rozpuszczal­ność w rozpuszczalniku. Właściwość ta zależy od rodzaju rozpuszczanej sub­stancji oraz rodzaju rozpuszczalnika.

              Wyróżnia się rozpuszczanie fizyczne, chemiczne i elektrochemiczne.

Rozpuszczanie fizyczne ciała stałego nie zmienia składu chemicznego roz­puszczanej substancji. Po rozpuszczeniu danej substancji w czystym rozpuszczal­niku można ją odzyskać w postaci stałej przez odparowywanie i krystalizację.

Rozpuszczanie chemiczne jest reakcją chemiczną. Rozpusz­czana substancja zmienia swój skład chemiczny tak, że nie może być odzyskana w postaci fazy stałej metodami czysto fizycznymi.

Rozpuszczanie elektrochemiczne zachodzi z jednoczesnym przenoszeniem ładunków elektrycznych.

Aparaty w których zachodzą procesy rozpuszczania to mieszalniki.

Destylacja i rektyfikacja

              Destylacja jest jedną z metod stosowanych w przemyśle spożywczym do roz­dzielania ciekłych roztworów na poszczególne składniki. Rozdzielanie mieszaniny dwu- lub wieloskładnikowej jest możliwe dzięki temu, że faza gazowa uzyskana przez częściowe odparowanie roztworu ciekłego ma skład inny niż roztwór pierwotny. Punkty wrzenia (maksymalne odparowanie) poszczególnych składników mieszaniny są różne (składniki bardziej lub mniej lotne).

              Metoda ta jest wyko­rzystywana przy produkcji spirytusu, wódek, koniaków oraz przy odzysku aromatów.

              Znanych jest kilka odmian destylacji. Podstawowe znaczenie ma podział na destylację prostą, destylację wielostopniową i rektyfikację.

              Destylacja wielokrotna polega na wzbogacaniu par w składniki bardziej lotne dzięki przeciwprądowej wymianie między wznoszącymi się w górę parami destylowanje cieczy a spadającą w dół cieczą (flegmą). Urządzeniem pomocniczym jest deflegmator (chłodnica z częściowym skraplaniem pary).

Urządzenia to zestawy kolumn destylacyjnych lub rektyfikacyjnych

Procesy membranowe

              Procesy membranowe są przydatne wtedy, gdy należy zmodyfikować skład chemiczny produktu przez usunięcie określonej grupy składników lub usunięcie z materiału związków wielkocząsteczkowych bez stosowania zabiegów chemicznych czy termicznych. Procesy te są prowadzone z użyciem odpowiednich membran.

              Pod pojęciem procesów membranowych rozumie się te wszystkie procesy, w których dwa roztwory są rozdzielone membraną o określonej selektywności. Selektywność membrany wynika z jej porowatości lub ładunku elektrycznego. W zależności od wielkości porów w membranie wyróżnia się mikrofiltrację, ultrafiltrację, nanofiltrację oraz odwróconą osmozę. Gdy membrana niesie na sobie ładunek elektryczny, mówi się ogólnie o elektrodializie. Mikrofiltrację można by zaliczyć do procesów mechanicznych. W ultrafiltracji, nanofiltracji i odwróconej osmozie siłą napędową procesu jest różnica stężeń, natomiast w elektrodializie - różnica potencjałów elektrycznych.

Membrany wykorzystywane w przemyśle spożywczym wykonuje się z różnych tworzyw sztucznych (octan celulozy, polichlorek winylu) lub tworzyw mineralnych (tlenek cyrkonu, tlenek glinu). Materiał dobierane jest zarówno pod kątem właściwości dyfuzyjnych oraz reżimu technologicznego (właściwości chemiczne roztworów, zmienny odczyn, wysoka temperatura i wysokie ciśnienia). Membrany wykorzystywane w urządzeniach zestawiane są w postaci odpowiednich modułów ułatwiających montaż, wymianę oraz utrzymanie odpowiedniej higieny produkcji. Moduły produkowane są w postaci elementów płaskich lub elementów rurowych. Podstawowy wymóg konstrukcyjny sprowadza się do uzyskania możliwie dużej powierzchni roboczej membran w zestawionych modułach.

Mikrofiltracja.

              Zatrzymaniu ulegają cząsteczki większe niż 0,05 um. Cukry, sole i białka przechodzą przez membrany wraz z wodą (skład roztworu praktycznie nie ulega zmianie). Mikrofiltracja jest stosowana do klarowanie soków owocowych, piwa, wina, usuwanie mikroflory oraz tłuszczu z mleka. Mikrofiltracja mleka odtłuszczonego umożliwia usunięcie powyżej 99,5% komórek bakteryjnych oraz przetrwalników. W procesie mikrofiltracji soków, piwa czy win usuwane są zarówno komórki mikroflory (drożdże, bakterie), jak i cząstki zawiesiny nie usunięte przy filtracji. Mikrofiltracja zaliczana jest do grupy procesów membranowych ze względu na rodzaj używanych przegród.

Ultrafiltracja.

              Proces molekularnego przesiewania. Zatrzymane cząstki pow. 0,005 um. Przechodzą sole i cukry proste, a zatrzymane białka, skrobia, enzymy i inne związki wielkocząsteczkowe. Wydzielanie frakcji białkowych z mleka czy serwatki, oczyszczanie enzymów, usuwanie substancji niskocząsteczkowych. Stosowana również do oczyszczania soków czy win.

Nanofiltracja.

              Przechodzi tylko woda i sole mineralne (cząsteczki o masie poniżej 250 Da). Stosowana do odsalanie wielu produktów  oraz modyfikacji składu mineralnego wielu produktów czy półproduktów z procesów biotechnologicznych (oczyszczanie serwatki, niektóre ekstrakty spożywcze).

Odwrócona osmoza.

              Podstawą jest zjawisko osmozy. Roztwór oddzielony od rozpuszczalnika błoną półprzepuszczalną ulega rozcieńczeniu a cały układ dąży do stanu równowagi termodynamicznej. Rozpuszczalnik przenika przez błonę półprzepuszczalną i rozcieńcza roztwór aż do osiągnięcia stanu równowagi. Przy stałych objętościach wyjściowych czynników, rozcieńczenie roztworu prowadzi do zwiększenie jego objętości a tym samym do zwiększenia jego ciśnienia. Ciśnienie to nazywane jest ciśnieniem osmotycznym. Ciśnienie to można zrównoważyć a następnie przekroczyć. Gdy ciśnienie wywierane na roztwór jest wyższe od ciśnienia osmotycznego rozpuszczalnik zaczyna przechodzić z roztworu do czystego rozpuszczalnika. Następuje zagęszczanie roztwór. Metoda pozwala na zagęszczania serwatki, mleka, zagęszczanie białka jaja kurzego i soków. Umożliwia też wydzielenie etanolu z roztworu.

Przy odwróconej osmozie przechodzi tylko woda zagęszczając wszystko pozostałe. Proces może być wykorzystany np. do odsalanie wody morskiej.

Elektrodializa.

              Membrana  przepuszcza jony o określonym ładunku – kationy lub aniony. Przyłożona do elektrod różnica potencjału powoduje, że membrana przepuszcza ładunki np. dodatnie, a odpycha ujemne. Odsalanie wody i demineralizacja. Odkwaszanie win, soków cytrusowych. Produkty (mleko) o obniżonej np. zawartości sodu.

PROCESY CHEMICZNE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI

              Ze względu na wieloskładnikowy charakter środków spożywczych możliwości zastosowania procesów chemicznych w technologii żywności są ograniczone. Jak na razie, ich wykorzystanie ogranicza się do prostszych przemian, dających się w pełni kontrolować:

- hydroliza wielocukrów

- hydroliza białek w produkcji koncentratów (zmniejszenie wielkości cząstek białka lub nawet ich rozbicie do pojedynczych aminokwasów)

- uwodornienie tłuszczów (zestalenie płynnych tłuszczów roślinnych)

- estryfikacja tłuszczów (obniżenie temperatury topnienia oraz poprawa „smarowalności”)

- chemiczne modyfikacje skrobi i białe

1