W. 6
PROCESY PODSTAWOWE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI. PROCESY MECHANICZNE.
Pojęcie procesu podstawowego w technologii żywności.
Technologia jest działem wiedzy zajmującym się metodami wywarzania lub przetwarzania surowców, półproduktów i wyrobów. Proces technologiczny to wszystkie czynności występujących po sobie w określonej kolejności, powodujące przemiany fizyczne, chemiczne i biochemiczne surowców oraz materiałów i prowadzące do otrzymania gotowego wyrobu.
Proces technologiczny składa się z kilku- a nawet kilkunastu następujących po sobie operacji i procesów jednostkowych nazywanych procesami podstawowymi. Każdy proces podstawowy ma zdefiniowany i przewidywalny wpływ na przetwarzany surowiec, a jego przebieg może być opisany fizycznie i matematycznie.
Realizacja procesu technologicznego wymaga właściwego wyposażeniu technicznego. Procesy podstawowe przebiegają w specjalistycznej aparaturze lub przy użyciu odpowiednich urządzeń. Działanie maszyn, urządzeń i aparatów wymaga dopływu energii, wody, sprężonego powietrza, a także innych czynników. Natomiast prowadzenie samego procesu wymaga wiedzy, a także możliwości kontroli i sterowania parametrami, które zapewniają uzyskanie wyrobu o oczekiwanych właściwościach.
Proces technologiczny i jego części składowe, czyli procesy podstawowe, można najogólniej zdefiniować jako układ dynamiczny z wchodzącymi strumieniami surowców, energii i informacji oraz z wychodzącymi strumieniami produktów i czynników oddziałujących na środowisko. Wewnątrz układu znajdują się maszyny, urządzenia i aparaty, za pomocą których proces jest realizowany, oraz systemy jego kontroli i regulacji.
Wprowadzenie pojęcia procesu podstawowego umożliwia daleko idące uogólnienie procesów występujących we wszystkich branżach przemysłu spożywczego. Fizyczna lub fizykochemiczna istota procesu podstawowego jest niezależna od charakteru przerabianego surowca, uzyskanych produktów, a także od rodzaju dostarczanej energii. Opis matematyczny procesu jest jednolity, a jedynie parametry występujące w równaniach są zależne od tego, gdzie dany proces podstawowy został zastosowany.
Procesy podstawowe, typowe dla wielu procesów technologicznych przemysłu spożywczego, można pogrupować na:
2. procesy cieplne
Wiele procesów podstawowych występujących w procesie technologicznym ma złożony charakter. Często występowanie dwu lub więcej sił napędowych powoduje, że dany proces może być zaliczany jednocześnie do dwu lub więcej rodzajów procesów podstawowych.
PROCESY PODSTAWOWE MECHANICZNE
1. Rozdrabnia ciał stałych
2. Przesiewanie i sortowanie
3. Formowanie
4. Ekstruzja
5. Fluidyzacja i transport pneumatyczny
6. Transport mechaniczny
7. Przepływ płynów
8. Mechaniczne rozdzielanie układów niejednorodnych
9. Rozdrabnianie cieczy
10. Mieszanie i aglomeracja
1. Rozdrabnianie ciał stałych
Zmniejszanie wymiarów cząstek materiału (rozdrabnianie – kształt nieregularny, krojenie – zmniejszanie wymiarów surowca i nadanie cząstkom kształtu)
Stopień rozdrobnienia – stosunek wielkości cząstki przed do wielkości po rozdrobnieniu. Rozdrobnienie grube <5, średnie 5-10, drobne 10-25, bardzo drobne 25-50, ultra drobne 50-100, rozdrobnienie koloidalne >100.
W technologii żywności, w zależności od materiału poddawanego rozdrabnianiu i sposobu rozdrabniania, wyróżnia się:
- drobienie i mielenie (ziarna zbóż)
- gniecenie (owoce, ziarno zbóż)
- śrutowanie (nasiona oleiste, ziarno zbóż)
- rozcieranie i przecieranie (owoce, warzywa)
- szarpanie (owoce, warzywa)
- kutrowanie (mięso)
W zależności od ilości wody zawartej w rozdrabnianym materiale mamy do czynienia z rozdrabnianiem na mokro lub rozdrabnianiem na sucho.
Maszyny i urządzenia rozdrabniające
Specyfika surowców oraz wymagania technologiczne w stosunku do produktów rozdrabniania powodują znaczne zróżnicowanie konstrukcyjne maszyn w przemyśle spożywczym. W przemyśle spożywczym rzadko występuje tylko jeden sposób działania sił na rozdrabniany materiał. Bardzo często w tej samej maszynie znajduje zastosowanie kilka sposobów rozdrabniania.
Maszyny zgniatające (rowkowane walce zestawione w pary o różnych prędkościach obrotowych)
- mlewniki i śrutowniki (rozdrabnianie zbóż, nasion oleistych i słodu)
- gniotowniki (przemiał ziarna zbóż, produkcji kasz i płatków)
- płatkownice (rozdrabnianie nasion oleistych oraz płatkowanie wytłoków)
Maszyny szarpiące mają na celu rozdrobnienie surowca z nieznacznym zniszczeniem struktury komórkowej lub z zachowaniem integralności określonych części składowych surowca (owoce i warzywa)
- szarpaki walcowe – jeden lub dwa walce uzbrojone w ząbkowane noże, sierpowato wygięte zęby lub metalowe kołki
- szarpaki tarczowe – pionowe lub poziome tarcze wyposażone w elementy rozrywające surowiec
- tarki – rozdrabnianie ziemniaków przy produkcji skrobi (uszkodzenie komórek bez uszkadzania ziarn skrobi)
Maszyny udarowe powodują rozdrobnienie surowca przez szybkie i wielokrotne uderzenie elementów roboczych. Elementami roboczymi są płaskowniki, kołki lub pręty osadzone na obrotowym pionowym lub poziomym wale. Rozdrabnianie owoców i warzyw, ale również materiałów suchych (pszenica, kazeina suszona, płatki owsiane).
Maszyny łamacze funkcjonują na zasadzie maszyn udarowych, ale służą do rozdrabniania materiałów twardych i kruchych o dużych początkowych wymiarach (duże kęsy).
Maszyny ścinające - pracują na zasadzie ścinania materiału miedzy dwoma powierzchniami. Ze względu na znaczne ilości ciepła wytwarzanego podczas pracy tych urządzeń wykorzystywane są do rozdrabiania surowca zawierającego znaczne ilości wody.
- młynki koloidalne służą do rozdrabniania mięsa, przecierów owocowych, twarogu, wyrobu napojów mlecznych, majonezów i mieszanek lodowych. Elementami młynków koloidalnych jest zestaw tarcz lub powierzchni stożkowych o powierzchni chropowatej lub rowkowanej. Odstęp między powierzchniami roboczymi jest regulowany i wynosi od 0,2 mm do 5 mm. Szybkość obrotów ok. 3000 obr. na minutę.
- przecieraczki składające się z nieruchomego cylindrycznego sita oraz wału z listwami przecierającymi. Służą do rozdrabniania miękkich owoców, pomidorów, rozparzonych jabłek.
Maszyny tnące służą do cięcia materiału za pomocą noży, jak nadawania im określonego kształtu.
- wilk jest urządzeniem do rozdrabniania mięsa na kawałki wielkości 2 do 25 mm. Kawałki mięsa są przesuwane przenośnikiem ślimakowym w kierunku noży i wymiennych tarcz przeciskowych.
- Kuter służy do znacznie większego rozdrobnienia mięsa niż wilk. Wyposażony w noże szablaste obracające się z większą szybkością.
Krajalnice służą do nadania rozdrabnianemu materiałowi odpowiedniego kształtu. Kształt ten jest podyktowany względami użytkowymi, estetycznymi, organoleptycznymi i technologicznymi. (krajalnica odśrodkowa).
- kostkownica – cięcie w sześciany lub prostopadłościany
- plastrownica – plastrowanie wędlin i serów
Przesiewanie jest podstawową metodą rozdzielania materiałów sypkich. Przesiewaną mieszaninę wprowadza się na sito przez które część materiału przesypuje się (przesiew), a druga część pozostaje (odsiew). Maszyny do przesiewania to przesiewacze a ich elementami roboczymi są sita. Sita stosowane w przemyśle spożywczym wykonane są z blachy, drutu, jedwabiu i tworzyw sztucznych.
Maszyny przesiewające dzielimy na przesiewacze z sitami płaskimi i przesiewacze z sitami cylindrycznymi.
Odsiewacz płaski składa się z kilku do kilkunastu ram ułożonych jedna nad drugą i stanowiących tzw. skrzynię. Odsiewacz jest wprawiany mimośrodowo w ruch kołowo-postępowy lub posuwisto-zwrotny. Odmianą tego odsiewacza jest przesiewacz z sitami pochyłymi (zboża, kasze).
Odsiewacz z sitami cylindrycznymi jest stosowany do wstępnego rozdzielania produktów przemiału zbóż. Obrotowy bęben wykonany z sit blaszanych lub jest to konstrukcja opięta sitem tkanym.
Sortowniki
Sortowanie jest procesem polegającym na rozdzielenie materiału na frakcje wielkościowe lub wagowe daje produkt ułatwiający przeprowadzenie wielu procesów technologicznych, a także spełniający oczekiwania nabywcy pod względem wyglądu.
Różnorodność kształtów, masy jednostkowej, wytrzymałości mechanicznej, a także odmienne wymagania technologiczne prowadzą do dużego zróżnicowania maszyn sortujących, zarówno pod względem konstrukcyjnym, jak sposobu działania. Maszyny sortujące służące do rozdzielenia materiału na frakcje wielkościowe mają elementy robocze w postaci sit, ślimaków, rolek, prętów i dysków.
Sortowniki z sitami pochyłymi są wykorzystywane do rozdzielenia materiału o regularnym kształcie na frakcje wielkościowe
Sortowniki z sitami cylindrycznymi (koncentryczne, bądź seryjne), zasada jak powyżej, ale mniej skuteczne.
Sortowniki linowe i taśmowe zbudowane są z napiętych taśm czy lin rozchodzących się w miarę oddalania się od punktu zasypu sortowanego materiału.
Sortowniki rolkowe – ruchome rolki o zwiększającym się rozstawie
Sortowniki kaskadowe – transporter szczelinowy i sortowanie pod względem długości (marchew).
Formowanie materiałów (nadawanie kształtu) może się odbywać w sposób periodyczny i ciągły.
Formowanie periodyczne jest prowadzone z wykorzystaniem różnego rodzaju form, które po napełnieniu materiałem są poddawane działaniu sił mechanicznych w celu lepszego ułożenia produktu (prasowanie, wibracja) lub procesom biochemicznym – sery, fermentacja drożdżowa).
Maszyny o działaniu ciągłym ze względu na dużą różnorodność ciał poddawanych obróbce są bardzo zróżnicowane pod względem konstrukcyjnym. Maszyny te można podzielić na cztery zasadnicze grupy:
- maszyny walcujące (walcarki) – piekarnie, ciastkarnie, przemysł cukierniczy
- – system wielowalcowy umożliwia np. produkcje wyrobów cukierniczych wielowarstwowych
- maszyny wykrawające –wykrawanie z uformowanej taśmy materiału
- maszyny formujące – elementem formującym jest walec
- maszyny wytłaczające (tłokowe, ślimakowe, walcowe)
Jest proces polegający na połączeniu intensywnego mechanicznego oddziaływania na materiał z jego ogrzewaniem. W ekstruzji takie procesy podstawowe jak mieszanie, ogrzewanie, przepływ oraz nadawanie kształtu występują jednocześnie lub w odpowiedniej sekwencji. Materiałem wyjściowym w tym procesie są związki wielkocząsteczkowe takie jak skrobia i białka.
Ekstruder to w uproszczeniu przenośnik ślimakowy zakończony matrycą. Przestrzeń ekstrudera można podzielić na trzy strefy – zadawania, wyrabiania (miesienia), końcowego ogrzewania. W końcowej strefie dostarczane jest ciepło tak, aby plastyczna masa szybko uzyskała temperaturę pow. 150 st. C. W tym stanie materiał jest wtłaczany do matrycy, gdzie nadaje mu się odpowiedni kształt. Przepływ przez dyszę i gwałtowna zmiana ciśnienia modyfikują strukturę wewnętrzną materiału. Ciśnienie na wylocie dochodzi do 70 atmosfer. Woda w materiale jest przegrzana w stosunku do warunków zewnętrznych i w momencie gdy produkt opuszcza otwory matrycy gwałtownie odparowuje. Powoduje to ekspansję materiału, tworzenie porowatych struktur i utrwalanie nadanego kształtu.
Proces fluidyzacji polega na zawieszeniu cząstek ciała stałego w płynącym do góry strumieniu płynu lub gazu. Ciało stałe jest intensywnie mieszane i przechodzi w stan półzawieszony, czyli fluidalny. Stan taki zapewnia duże rozwinięcie kontaktu międzyfazowego co ułatwia przenoszenie ciepła i masy miedzy fazą stała, ciekła lub gazową. W technologii żywności fluidyzacja ma zastosowanie w procesach chłodzenia, zamrażania i suszenia. Fluidyzacja w fazie ciekłej występuję podczas mycia i segregacji owoców oraz warzyw.
Proces fluidyzacji odbywa się w komorach do fluidyzacji, które są częścią składową suszarek, zamrażarek czy aparatów do chłodzenia oraz myjek i segregatorów owoców i warzyw.
Zjawisko półzawieszenia w gazie jest podstawą transportu pneumatycznego. Transport odbywa się przewodami rurowymi. Wykorzystać go można do przesyłu materiałów na znaczne odległości. W zależności od wielkości ciśnienia w stosunku do ciśnienia atmosferycznego można mówić o systemie transportu pneumatycznego:
- ssącym
- tłoczącym
- ssąco-tłoczącym
Transport masy jest istotnym procesem produkcji żywności. Prowadzony jest on przy wykorzystaniu szerokiego spektrum urządzeń mechanicznych do transportu surowca, półproduktu czy produktu finalnego. Wykorzystywane są środki transportu kołowego, przenośniki mechaniczne, taśmociągi, podajniki, zsypy. Występuje szeroki zakres urządzeń do transportu mechanicznego.
W większości procesów technologicznych w przemyśle spożywczym używa się znacznych ilości cieczy, które są magazynowane i przewożone w zbiornikach różnego typu i kształtów. Działanie siły zewnętrznej powoduje, miedzy innymi, przepływ płynów. Technika taka jest wykorzystywana do ich transportu. Przepływy odbywają się zarówno w przewodach rurowych, ale również w specjalistycznych urządzeniach typu wirówek, w urządzeniach filtracyjnych, podczas ogrzewania, chłodzenia, w opakowaniach.
Uwzględniając zastosowania przemysłowe przepływy występujące w procesach podstawowych dzielimy na dwie grupy:
- przepływy jednofazowe
- przepływy wielofazowe (dwufazowe płyn/gaz i dwufazowy płynu oraz ciała stałego)
Procesy te obejmują: wyciskanie cieczy, filtrację, grawitacyjne rozdzielenie zawiesin, rozdzielenie układów niejednorodnych w polu siły odśrodkowej.
Wyciskanie cieczy z surowców przemysłu spożywczego, często zwane tłoczeniem jest stosowane głównie w celu pozyskania frakcji ciekłej zawartej w komórkach roślinnych lub zwierzęcych. Proces ten jest stosowany do otrzymywania soków owocowych i warzywnych oraz do wydobywania olejów z surowców przemysłu olejarskiego. Wyciskanie stosuje się także do oddzielania tłuszczu od skwarek i surowców pochodzenia morskiego. Wytłoki po procesie wyciskania stanowią zwykle odpad.
Materiał poddawany wyciskaniu podlega określonej obróbce wstępnej, w celu rozerwania błon komórkowych i uwolnienia cieczy zawartej w komórkach. W przypadku owoców i warzyw stosuje się rozdrabnianie, a także enzymatyczną lub ultradźwiękową obróbkę uzyskanej miazgi. Nasiona roślin oleistych są częściowo rozdrabniane, a następnie poddane obróbce hydrotermicznej.
Urządzenia stosowane do wyciskania są nazywane prasami. Ich konstrukcja jest uzależniona od przeznaczenia i sposobu wytwarzania ciśnienia w materiale. Ciśnienie w prasach wytwarza się w sposób hydrauliczny, pneumatyczny i mechaniczny.
Prasy hydrauliczne:
- prasy warstwowe – prasowanie między dwiema płytami
-...
t500