WSPÓŁCZESNE TECHNIKI ZAMRAśANIA

Transkrypt

1 Gdańsk, r. WSPÓŁCZESNE TECHNIKI ZAMRAśANIA Temat pt.: Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Współczesne techniki zamraŝania Ŝywności ogólna charakterystyka i ocena uŝytkowa, cz. 2. Wykonał: Piotr Herrmann Specjalność: SiUChiKl 1

2 Ogólny podział urządzeń zamraŝalniczych: 1. Powietrzne: a) Owiewowe: Tunele okresowe, Spiralne tacowe, Spiralne taśmowe, Automatyczne stelaŝowe. b) Fluidyzacyjne: Rynnowe, Taśmowe. 2. Kontaktowe: a) Płytowe: b) Taśmowe. c) Bębnowe. Poziome, Pionowe. 3. Immersyjne (w cieczach niewrzących). 4. Kriogeniczne (w cieczach wrzących). a) LIN: b) LIC: Tunelowe, Spiralne. Tunelowe, Spiralne. 2

3 1. Powietrzne: a) Ocena uŝytkowa zamraŝania owiewowego: Wady: - mała wartość współczynnika przewodzenia ciepła powietrza (dla Tf=-25 C, λf= W/(m*K)) wskutek czego współczynniki wnikania ciepła są bardzo małe, i w rezultacie czas zamraŝania długi, - w celu zwiększenia intensyfikacji ciepła aby poprawić α stosuje się wentylatory. W bilansie energetycznym straty spowodowane wymuszonym ruchem powietrza trzeba liczyć podwójnie. Składają się na nie napęd silników wentylatorów i energia potrzebna w maszynowni chłodniczej do odprowadzenia ciepła pracy tych wentylatorów. Zalety: - uniwersalność aparatów, - prostota konstrukcji, - łatwość i pewność uŝytkowania, mała pracochłonność, - wysoki standard higieny, - niskie koszty eksploatacji (w porównaniu z metodami kriogenicznymi). Tunele okresowe: - StelaŜe są obsługiwane przez wózki widłowe. - Warunki wnikania ciepła od produktu do medium oraz związany z tym cykl zamraŝania zaleŝy w duŝym stopniu od rozłoŝenia produktów w tunelu. - Cykl zamraŝania zaleŝy od typu tunelu, wielkości sztuk, rodzaju opakowania, temperatury parowania i waha się od 2 h dla porcji jednostkowej do h w przypadku mroŝenia mięsa w półtuszach lub ćwierciach i dla drobiu i mięsa w kartonach. - Czas zamraŝania produktów w kartonach, w zaleŝności od sposobu ułoŝenia ich na palecie, przedstawia poniŝszy rysunek 1: 3

4 Rys. 1. Czas zamraŝania produktów w kartonach zamkniętych w tunelu o działaniu okresowym. 1 na stelaŝu półkowym, 2 na palecie z przekładkami, 3 w zwartym ładunku. Spiralne taśmowe: W przypadku tych zamraŝarek znaczenie ma system obiegu powietrza: - Przepływ równoległy do powierzchni taśmy (dania kulinarne), rys. 2.: Rys. 2. Obieg powietrza równoległy. - Obieg powietrza prostopadły (dla produktów drobnych np. filety, hamburgery, paluszki rybne, pyzy), rys. 3.: 4

5 Rys. 3. Obieg powietrza prostopadły. - obieg powietrza mieszany, rys. 4.: Rys. 4. Obieg powietrza mieszany: 1 bęben, 2 spirala taśmy, 3 wentylator, 4 parownik, 5 wylot strumienia powietrza, 6 przegroda. b) Ocena uŝytkowa tuneli fluidyzacyjnych: 5

6 Wszystkie omówione tunele to wypróbowane w praktyce przemysłowej aparaty, które mają zastosowanie do zamraŝania szerokiego asortymentu owoców, warzyw i niektórych produktów kulinarnych, o wymiarach 6 50 mm i dowolnym kształcie takim, jak kula, kostka, paski, liście, kolby, itp. Wskaźniki techniczno ekonomiczne i produkcyjne tuneli fluidyzacyjnych. Wskaźniki techniczno ekonomiczne róŝnych typów zamraŝarek fluidyzacyjnych (najbardziej popularnych w Polsce), liczone na t/h wydajności zamraŝania truskawek, tabela 1.: Tab. 1.Wskaźniki techniczno ekonomiczne róŝnych typów zamraŝarek fluidyzacyjnych (najbardziej popularnych w Polsce), liczone na t/h wydajności zamraŝania truskawek. Jak wynika z tabeli najlepsze wskaźniki ma tunel Frigoscandia Flo Freeze ADF 26B. Niewiele ustępuje temu tunelowi polski aparat z Unidexu Straszęcin, ale teŝ osiąga parametry lepsze od wielu odpowiedników z krajów zachodnich. TakŜe wskaźnik ceny aparatu krajowego przemawia na jego korzyść. Problemy fluidyzacyjnego zamraŝania: Celem fluidyzacyjnego zamraŝania jest uzyskanie produktu zamroŝonego, całkowicie sypkiego, bez zbryleń i przy minimalnych uszkodzeniach i stratach surowca. Ale w praktyce ten cel nie zawsze jest łatwy do zrealizowania poniewaŝ oprócz produktów, które określa się 6

7 jako łatwe, takich jak: groszek, fasolka, marchew cięta, jagody, porzeczki, śliwki, wiśnie, agrest, czy teŝ frytki, istnieją produkty, które określa się jako trudne, głównie truskawki i maliny. Te pierwsze produkty zamraŝają się bez trudu w prawie wszystkich typach produkowanych urządzeń, natomiast zamraŝanie truskawek jak i malin stwarza problemy. Surowiec ten zamraŝany w tunelach fluidyzacyjno taśmowych silnie przywiera do taśmy, wskutek czego cześć owoców uszkadza się. Ponadto sama taśma silnie się zanieczyszcza. Dalej produkty te w czasie drugiej fazy mroŝenia mają skłonność do tworzenia zlepieńców, co powoduje często niedomroŝenie końcowego produktu. 2. Ocena uŝytkowa zamraŝania kontaktowego: Współczynnik wnikania ciepła: W/(m²*K) dzięki bezpośredniemu styku produktu z powierzchnią chłodzoną czynnikiem. UmoŜliwia to znaczną redukcję czasu zamraŝania, np. 8 krotną w przypadku zamraŝania bloków mięsa lub ryb, w porównaniu z tunelem owiewowym. Dzięki wysokiemu współczynnikowi wnikania ciepła zmniejszono zapotrzebowanie energii (o połowę mniejsze niŝ w zamraŝarkach powietrznych). Dodatkowo aparaty ter mają wysokie wskaźniki wydajności na jednostkę powierzchni fundamentu i kubatury, co jest bardzo waŝne na statkach i głównie na nich znalazły zastosowanie. Szerszemu zastosowaniu oprócz zastosowania na statkach nie sprzyjały następujące wady: Ich obsługa jest uciąŝliwa i pracochłonna, mechanizacja załadunku i wyładunku klasycznego aparatu o płytach poziomych dotychczas nie jest rozwiązana. Aparaty te mogą zamraŝać tylko produkty o regularnych jednolitych wymiarach (zwłaszcza grubości). Niewielkie róŝnice w grubości opakowań lub bloków powodują znaczny spadek wydajności zamraŝania. ZamraŜarki kontaktowe nie nadają się do zamraŝania produktów o nieforemnych kształtach, takich jak drób, duŝe ryby, nieregularne elementy mięsne, lub teŝ produktów sypkich (groszek, fasolka, jagody), tzn. takich, przy których powierzchnia styku produktu z płytami jest zredukowana lub gdy współczynnik przewodzenia ciepła przez blok jest mały (produkty sypkie). W aparacie istnieje kilkadziesiąt elastycznych połączeń płyt z instalacją chłodniczą. Pomimo stałego postępu w ich produkcji połączenia te stwarzają nadal wiele problemów. a) Ocena uŝytkowa zamraŝarek kontaktowych płytowych: Na rys przedstawiono krzywe zamraŝania róŝnych produktów w aparatach kontaktowych płytowych: 7

8 Wykresy te sporządzane są przy bezpośrednim parowaniu czynnika w płytach i temperaturze wrzenia T0=-34 C. Jak wynika z wykresów na czas mroŝenia produktów duŝy wpływ ma strefa krytyczna. Natomiast czas zamraŝania w zaleŝności od temperatury czynnika i grubości porcji ilustruje rys. 5.: 8

9 Rys. 5. Teoretyczny czas zamraŝania filetów z dorsza w zamraŝarce płytowej, w zaleŝności od temperatury wrzenia czynnika i grubości porcji l. Z wykresu wynika, Ŝe np. 2 krotne zwiększenie grubości filetów nie pakowanych z 40 do 80 mm powoduje niemal 3.6 krotny wzrost czasu zamraŝania (z 22 do 80 min). Podobne zwiększenie grubości filetów pakowanych w kartoniki wydłuŝa czas zamraŝania tylko 2.2 krotnie. PodwyŜszenie temperatury wrzenia czynnika 0 1 K daje w efekcie ok. 4 5% wydłuŝenie czasu zamraŝania produktów zarówno pakowanych, jak i nie pakowanych. Opakowanie kartonowe wydłuŝa czas zamraŝania 1,5 3-krotnie (im cieńsza warstwa produktu, tym większy wpływ opakowania). Na rys. 6. przedstawiono zaleŝność wydajności aparatu od grubości produktu, z uwzględnieniem czasu załadunku i wyładunku zamraŝarki: 9

10 Rys. 6. Wydajność jednostkowa zamraŝania G, kg/(m²*h) w aparatach kontaktowych. Produkt filety z dorsza. 1 aparat kontaktowy z płytami poziomymi, załadunek ręczny, produkt bez opakowania ( w tacach Al.), 2 aparat kontaktowy z płytami poziomymi, załadunek ręczny, produkt w kartonikach powlekanych PE, 3 aparat płytowy automatyczny. Z wykresu wynika, Ŝe przy zamraŝarkach poziomych obsługiwanych ręcznie wydajność maksymalną osiąga się przy grubości produktu ok. 40 mm i to zarówno dla produktów mroŝonych w opakowaniu, jak i luzem. Zupełnie inaczej problem przedstawia się w zamraŝarkach płytowych automatycznych. Wydajność tych aparatów spada wraz ze wzrostem grubości produktu. Aparaty pracują najbardziej efektywnie przy zamraŝaniu produktów o grubości mm. 3. ZamraŜanie w cieczach nie wrzących (zamraŝanie immersyjne): Zalety: - duŝe współczynniki wnikania ciepła, a stąd krótki czas zamraŝania, przy stosunkowo wysokiej temperaturze wrzenia czynnika ( od -25 do -30 C), - małe wymiary, - prosta budowa, - korzystny wskaźnik wykorzystania mocy. Wady: - produkty mroŝone luzem w roztworze soli absorbują sól i tracą barwę, - sól silnie koroduje urządzenia, - roztwór ulega stałemu rozcieńczeniu na skutek absorpcji wilgoci z powietrza, - standard higieny jest trudny do utrzymania, następuje wtórne zakaŝenie. Zapobieganie: 10

11 - aby umoŝliwić pracę przy niŝszych temperaturach i zmniejszyć korozję urządzeń, stosuje się inne roztwory wodne: chlorek wapnia, glicerolu, etanolu i glikolu etylenowego ale tylko do produktów pakowanych, - zastosowanie próŝniowego pakowania w cienką folię, przylegającą ściśle do produktu, warunki wnikania ciepła są prawie takie same, jak przy mroŝeniu luzem, a istnieje duŝa swoboda w doborze medium i moŝna zachować odpowiedni standard higieny. Metoda ta wraz z powietrznym domraŝaniem jest stosowana przy mroŝeniu drobiu. Wykres temperatur na róŝnych głębokościach tuszki drobiu, zamraŝanej w roztworze o temperaturze - 30 C, pokazano na poniŝszym rys. 7.: Rys. 7. Temperatura na róŝnych głębokościach tuszek drobiu i strumień cieplny w funkcji czasu przy zamraŝaniu w roztworze CaCl2. Temperatura tuszek mierzona w mięsniu piersiowym na głębokości: 1 20mm mm 3 6.7mm 4 na powierzchni 5 strumień cieplny 6 temperatura roztworu. Z wykresu moŝna odczytać, Ŝe temperatura -10 C jest osiągana na głębokości 6.7 mm juŝ po 18 min, a na głębokości 13.3 mm po 35 min. Jest to wykorzystywane przy mroŝeniu drobiu. Tuszki są zanurzone w roztworze na okres ok. 40 min, po czym domraŝane w tunelu owiewnym. W rezultacie uzyskuje się bardzo ceniony przez konsumentów jasnokremowy kolor powierzchni tuszek. 11

12 4. ZamraŜanie w cieczach wrzących (zamraŝanie kriogeniczne): Zalety kriotechnologii: - krótki czas zamraŝania (od 3 do 10min), - duŝa róŝnica temperatur między czynnikiem a produktem i wysoki współczynnik przewodzenia ciepła w wyniku czego proces mroŝenia jest bardzo intensywny, - niewielki koszt inwestycyjny urządzenia, - brak negatywnego oddziaływania chemicznego czynnika na produkt Zalety zamraŝania w cieczach wrzących: - zmniejszenie efektu ususzki (ubytek masy %) - równomierna krystalizacja wody na zewnątrz wewnątrz komórki kryształy lodu nie naruszają struktury tkankowej), - szybka dezaktywacja enzymów negatywnie oddziałujących na jakość produktu, - produkt zachowuje naturalny wygląd po rozmnoŝeniu ograniczenie wycieków i zmian konsystencji, Produkt o minimalnym stopniu przetworzenia. Wady zamraŝania w cieczach wrzących: - wysoki koszt eksploatacyjny urządzenia (kriociecz musi być stale uzupełniana), - konieczność przechowywania i transportowania ciekłych czynników w specjalnych zbiornikach i cysternach, - dodatkowe zuŝycie gazów spowodowane jest zyskami ciepła przez obudowę i elementy urządzenia oraz wychładzaniem urządzenia po przestoju. Metody LIN i LIC są stosowane w produkcji na małą skalę oraz do celów specjalnych, np. do zamraŝania preparatów farmaceutycznych, gdy chodzi głównie o zachowanie właściwości produktu, koszty zamraŝania są czynnikiem drugorzędnym. Wynika to stąd, Ŝe sprawność obiegu Carnota dla procesu LIN jest ok. 10-krotnie niŝsza od sprawności procesu amoniakalnej instalacji chłodniczej. Dla CO2 stosunek ten wynosi ok. 2 (poniŝszy rys. 8.): 12

13 Rys. 8. Sprawność cyklu Carnota dla zamraŝania LIN w ciekłym azocie, LIC w ciekłym CO2, maszynowego T0=-40 i -25 C. Literatura: Gruda Z., Postolski J.: ZamraŜanie Ŝywności. WNT, W wa,