PROCESY I TECHNIKI PRODUKCYJNE (PRODUKCJI ŻYWNOŚCI)

W. 7.

PROCESY PODSTAWOWE W TECHNOLOGII ŻYWNOŚCI. PROCESY CIEPLNE.

Ruch ciepła jest formą transportu energii.

              Znane są trzy rodzaje ruchu ciepła:

Przewodzenie. Ciepło może być przewodzone przez ciała stałe, ciecze i gazy, w których transport energii ruchu odbywa się między sąsiadującymi cząstkami.

Konwekcja. Przenoszenie ciepła z równoczesnym przemieszaniem się cząsteczek. Występuje w warstwach cieczy i gazu, znajdujących się w ruchu. Stąd też przepływem ciepła przez konwekcję rządzą częściowo prawa mechaniki płynów. Jeżeli konwekcja występuje wskutek różnic gęstości, które zostały wywołane różnicą temperatur, to mówi się o konwekcji naturalnej. Jeżeli natomiast ruch płynu wywołany jest siłami zewnętrznymi (pompa, wentylator) to mówi się o konwekcji wymuszonej.

Promieniowanie. Ruch ciepła przez promieniowanie jest transportem energii przez promieniowanie elektromagnetyczne o pewnym zakresie długości fal (4 – 40 mikrometrów). Występuje ono głównie w gazach i próżni. W cieczach i ciałach stałych promieniowanie jest pochłaniane częściowo lub całkowicie.

              W przemyśle spożywczym ważną rolę odgrywa ruch ciepła przez przewodzenie i konwekcję (najczęściej 2-ma, a nawet trzema sposobami).

Charakterystyka procesów cieplnych.

Większość procesów technologicznych przemysłu spożywczego wymaga ogrzewania lub/i chłodzenia. Zarówno ogrzewanie, jak i chłodzenie występują przy wstępnej obróbce surowca (np. obgotowywanie, rozparzanie) oraz przy właści­wym przetwarzaniu i utrwalaniu produktu (np. odparowywanie, suszenie, paste­ryzacja, sterylizacja, pieczenie). Ogrzewanie i chłodzenie jest konieczne nie tylko w działach produkcyjnych przemysłu spożywczego, ale także w jego działach pomocniczych (np. przy wytwarzaniu pary grzejnej, skraplaniu czynni­ków chłodniczych itp.). Ogrzewanie jest także powszechnie stosowane podczas czyszczenia i wyjaławiania aparatury technologicznej.

Ogrzewanie i chłodzenie prowadzone jest w wymiennikach ciepła.

              Ciała oddające lub pobierające ciepło nazywa się czynnikami lub nośnikami ciepła. W zależności od przeznaczenia, w przemyśle spożywczym są stosowane różne nośniki ciepła (wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe) w postaci gazowej lub ciekłej.

              Gazowym nośnikiem ciepła, najczęściej stosowanym w przemyśle spożywczym, jest nasycona para wodna. Powszechne zastosowanie pary wodnej wyni­ka z jej zalet jako nośnika ciepła. Można ją bez trudu przesyłać w miejsca znacznie oddalone od miejsca wytwarzania. Korzystne współczynniki przenikania ciepła, uzyskiwane przy ogrzewaniu wymienników ciepła parą, umożliwiają znaczne zmniejszenie ich powierzchni wymiany ciepła.

              Główną wadą pary wodnej, jako nośnika ciepła, jest znaczny wzrost ciśnie­nia, związany ze wzrostem temperatury. Stąd też ogrzewanie produktu do temp. 150 – l60°C wymaga zastosowania nasyconej pary wodnej o ciśnieniu 0,5-0.7 MPa.

              Innym gazowym nośnikiem ciepła, który znalazł zastosowanie w przemyśle spożywczym, jest gorące powietrze. Nośnik ten ma niskie współ­czynniki wnikania ciepła oraz jest dość kłopotliwy w przemieszczaniu. Jednak w wielu działach przemysłu spożywczego, jak suszarnictwo czy piekarnictwo nie można go praktycznie niczym innym zastąpić.

              Ciekłym nośnikiem ciepła, który znalazł zastosowanie w urządzeniach przemysłu spożywczego, jest gorąca woda lub skropliny pary wodnej. Taki nośnik można przesyłać rurociągami na znaczną odległość przy niewielkim obniżeniu temperatury. Zaletą wody, jako nośnika ciepła, jest możliwość uzy­skiwania wysokich współczynników wnikania ciepła. Ma jednak tę wadę, że temperatura jej pod ciśnieniem atmosferycznym nie może przekroczyć 100°C.

              Oprócz wymienionych powyżej wysokotemperaturowych nośników ciepła stoso­wane są również niskotemperaturowe nośniki ciepła oraz tzw. czynniki chłodnicze, których wrzenie (związane ze znacznym pobieraniem ciepła) przebiega w tem­peraturach poniżej 0°C.

              Do niskotemperaturowych nośników ciepła, stosowanych w przemyśle spo­żywczym należą nośniki ciekłe, takie jak woda lodowa, solanka, mieszanina glikolu, alkoholu i wody, alkohol metylowy i inne. Z nośników niskotemperaturowych gazowych w powszechnym użyciu jest powietrze.

              Czynnikami chłodniczymi w sprężarkowych i absorpcyjnych urządzeniach chłodniczych są najczęściej: amoniak i freony (pochodne węglowodorów nasy­conych).

Procesy cieplne dzielimy na:

·         Procesy ogrzewania

·         Odparowanie

·         Chłodzenie i zamrażanie żywności.

Ogrzewanie

              Blanszowanie (obgotowanie). Krótkotrwałe nagrzewanie warzyw i owoców w celu unieczynnienia enzymów oraz usunięcia powietrza z przestrzeni międzykomórkowych przy minimalnych stratach substancji rozpuszczalnych surowców. Proces stosowany przy produkcji konserw, mrożonek i suszu. Surowiec jest przetrzymywany w wodzie lub parze o temp. 85 – 95 st.C przez 0,5 do 5 minut. Warunki blanszowania są zróżnicowane i dostosowane do rodzaju surowca.

Urządzenia - blanszowniki.

-          blanszowniki o działaniu okresowym (pojemniki z koszami)

o       surowiec w koszach ze stali kwasoodpornej umieszcza się w wodzie o określonej temperaturze na określony czas a następnie przenosi, w celu schłodzenia, do zbiornika z zimną wodą

-          blanszowniki o działaniu ciągłym (tunelowe lub bębnowe)

o       blanszowanie zarówno w parze, jak i wodzie. W przedniej i tylnej części blanszowników instalowane są natryski zimnej wody (schładzanie produktu i unikanie zaparowania pomieszczeń) 

Rozparzacze. Nagrzewanie owoców lub warzyw parą w celu przeprowadzenia ich w stan półpłynny (poprzedza rozdrabnianie). Nośnikiem ciepła jest para wodna doprowadzana do urządzeń pod ciśnieniem 0,2 – 0,3 MPa

Rozparzacze ciśnieniowe o działaniu okresowym (cylindryczne zbiorniki)

Rozparzacze o działaniu ciągłym (szybowe, tarczowe, ślimakowe)

Pasteryzacja

Termiczne utrwalanie hermetycznie zamkniętych soków, koncentratów, piwa itp. Nagrzewanie zanurzeniowo-natryskowe. Temperatura 65 – 95 st. C przez kilka minut.

Sterylizacja termiczna

Sterylizacja hermetycznych opakowań (konserwy) w nadciśnieniu przy 110 – 130 st. C przez kilka do kilkudziesięciu minut (hydroliza białek).

Urządzenia – autoklawy, sterylizatory. Ogrzewanie parowe przy opakowaniach metalowych, wodne przy opakowaniach szklanych. Urządzenia funkcjonują jako autoklawy okresowe. Autoklawy pionowe i poziome (leżące).

Piece piekarskie

              Obecnie wykorzystywane piece piekarskie należą do pieców opalanych pośrednio.

              Piece ceramiczne ogrzewane pośrednio

-          kanałowe

-         rurowe

Piece cyklotermiczne

-          system ogrzewania piętrowy

-         płaski tunelowy

Piece ogrzewane elektrycznie

-          za pomocą drutu oporowego (bezpośrednio i akumulacyjnie)

-          piece z promiennikowym źródłem ciepła (lampy promiennikowe)

-                     ogrzewaniem prądem wysokiej częstotliwości (od 150 kHz)

Odparowanie

              Odparowanie jest to zagęszczanie roztworów przy braku selektywności rozdziału. Odparowanie rozpuszczalnika jest najszybciej w temperaturze wrzenia. Ze względu na destrukcyjne charakter temperatury powyżej 100 st. C odparowanie prowadzone jest często w podciśnieniu, kiedy temperatura wrzenia jest poniżej 100 st. C.

Wyparki.

              Odparowanie w przemyśle spożywczym prowadzone jest  w wyparkach. Każda wyparka składa się z: komory grzejnej (płytowe lub rurowe komory grzejne), komory oparów (rozdzielenie mieszaniny ciecz-para)  i skraplacza. Wyparki mogą być jedno – i wielodziałowe.

Schładzanie i zamrażanie.

              W przemyśle spożywczym jest wykorzystywane do:

1.      Podtrzymanie trwałości surowca i produktów

2.      Oddzielenie wody przy zagęszczaniu produktów i suszeniu sublimacyjnym

3.      Produkcja lodów

Procesy schładzania i zamrażania polegają na kontrolowanym odprowadzeniu ciepła z produktów do ośrodka chłodzącego, co powoduje stopniowe obniżenie ich temperatury wewnętrznej, odpowiednio, do temperatury nieco powyżej punktu zamarzania (schładzanie) lub znacznie poniżej tego punktu (zamrażanie). Schładzanie może być procesem niezależnym, pomocnym przy przechowywaniu żywności lub stanowić proces poprzedzający zamrażanie. W tym drugim przypadku najczęściej odbywa się to w obrębie tego samego procesu technologicznego.

Zamrażanie, w sensie cieplnym, jest procesem obniżania temperatury produktu poniżej temperatury krioskopowej, czemu towarzyszy przemiana fazowa wody w lód. Powstawaniu lodu wiąże się z koniecznością odprowadzenia znacznej ilości ciepła (ok. 335 kJ/kg) tj. dużo większych niż w czasie procesu schładzania.

              Z technologicznego punktu widzenia duże znaczenie ma czas zamrażania. Jest on zależny od:

-          rodzaju zamrażanego produktu

o       jego temperatury krioskopowa

o       przewodności cieplnej

o       struktury

o       wielkości jednolitych elementów produktu

- sprawności urządzeń chłodniczych

Proces zamrażania interpretuje się na podstawie tzw. krzywych mrożenia, ilustrujące zmiany temperatury w czasie w różnych punktach zamrażanego produktu.

Urządzenia zamrażalnicze

Klasyfikacja zamrażarek.

-          zamrażarki konwekcyjne – produkt zamrażany za pośrednictwem oziębionego powietrza, które jest przenośnikiem ciepła od produktu do parownika (90% produktów mrożonych)

-          zamrażarki kontaktowe – produkt styka się bezpośrednio z parownikiem urządzenia chłodniczego

-          w zamrażarkach immersyjnych produkt ( w opakowaniu lub bez opakowania jest zanurzany bezpośrednio do cieczy chłodzącej lub jest nią natryskiwany

Zamrażarki konwekcyjne

-          z. komorowe

-          z. tunelowe

-          z. taśmowe

-          z. fluidyzacyjne (owiew schłodzonego powietrza – rynnowe, taśmowe)

Zamrażarki kontaktowe

              Produkt zwykle spakowany w regularne kostki lub płyty jest schładzany między płytami zamrażarki dociśniętymi hydraulicznie. Płyty stanowią jednocześnie parownik urządzenia. Pod względem energetycznym zamrażarki kontaktowe należą do najbardziej ekonomicznych. Czynnikiem chłodniczym są pary amoniaku lub freonu pozwalający na uzyskanie temperatury – 25 st. C do – 40 st. C.

Zamrażarki immersyjne

              Produkt (drób w woreczkach) jest przesuwany w korycie wypełnionym mieszaniną propylen-glikol-woda o temp. – 20 st. C. Czas zamrażania ok. 20 minut. Dobry kontakt i wysoka wydajność urządzenia.

Zamrażarki kriogenne

              Bezpośredni kontakt produktu z ciekłym freonem, azotem, dwutlenkiem węgla i powietrzem. Temperatura parowania freonu (LFF – 29,7), azotu (LNF – 195,8), powietrza (LAF – 191,0), dwutlenku węgla (LCO2F – 78,5).

Urządzenia – tunelowe lub zanurzeniowe. Skroplone gazy wtryskiwane do komór chłodniczych.

1