POLITECHNIKA GDAŃSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA WSPÓŁCZESNE TECHNIKI ZAMRAśANIA (SEMINARIUM) Temat: Współczesne techniki zamraŝania Ŝywności ogólna charakterystyka i ocena uŝytkowa (cz.i). Wykonał: Arkadiusz Jankowski Sem. IX SUChK

2 1. Wyjaśnienie pojęcia zamraŝanie ZamraŜanie jest to jedna z najkorzystniejszych pod względem biologicznym form utrwalania Ŝywności. Pozwala w maksymalnym stopniu zachować odŝywcze, dietetyczne i organoleptyczne walory świeŝych produktów. Proces ten polega na szybkim doprowadzeniu produktu do temperatury ok - 30 C, po czym następuje przechowywanie w komorach chłodniczych, w temp. ok. -20 C. ZamraŜaniu poddaje się mięso, ryby, jaja, masło, oraz niektóre owoce i warzywa (mroŝonki). 2. Przebieg procesu zamraŝania Proces zamraŝania przedstawia rysunek 1. Krzywa ciągła przedstawia temperaturę centrum termicznego ciała (t c ). Teoretycznie powinna ona przebiegać wzdłuŝ krzywej a-b -c -d. W rzeczywistości proces ten odbiega od tego schematu, w punktach b, c, d widać zaokrąglenia oraz odcinek b-c nie pokrywa się z linią t c. Rys. 1. Wykres krzywych zamraŝania produktów Ŝywnościowych; t c - krzywa temperatury centrum termicznego, t p - krzywa temperatury powierzchni ciała.

3 Proces zamraŝania przebiega następująco: a-b schładzanie do temperatury t cr, b-c właściwe zamraŝanie, c-d domraŝanie do temperatury załoŝonej w technologii. Z analizy krzywych temperatury centrum ciała t c i jego powierzchni t p widać, Ŝe trzy fazy procesu przebiegają często równolegle. W okresie schładzania np. na powierzchni ciała następuje zamraŝanie, a nawet domraŝanie, podobnie w dalszych fazach. Najtrudniejszy jest problem określenia końca fazy właściwego zamraŝania. Zgodnie z propozycją Rjutowa przyjęto, Ŝe określa go temperatura -4 o C, o w większości produktów odpowiada zamroŝeniu około 73% zamarzającej wody. W przybliŝeniu odpowiada to punktowi f Czas zamraŝania Całkowity czas procesy zamraŝania ciała τ został umownie podzielny na czas wstępnego schładzania τ ch, czas właściwego zamraŝania τ z oraz czas domraŝania τ d. Wstępne schładzanie surowca i domroŝenie produktu wydłuŝa czas zamraŝania o ok %, czyli orientacyjnie: τ=(1,15-1,35)τ z 2.2. Szybkość zamraŝania Szybkość zamraŝania to szybkość z jaką front formacji lodowej przesuwa się w głąb ciała zamraŝanego. W przekroju ciała szybkość ta nie jest jednak stała, lecz zmienia się wraz z odległością od powierzchni zewnętrznej. Szybkość tą wyraŝa się równaniem róŝniczkowym: Miejscową liniową szybkość zamraŝania w danym przekroju ciała wyznacza się tylko w celach specjalnych. W praktyce zamraŝalniczej operuje się zazwyczaj pojęciem tzw. średniej liniowej szybkości zamraŝania, którą otrzymuje się dzieląc grubość zamroŝonej warstwy przez czas zamraŝania:

4 Gdzie: - odległość do tzw. termicznego środka produktu. Międzynarodowy Instytut Chłodnictwa ustalił takŝe inne definicje związane z szybkości zamraŝania, a mianowicie: nominalny czas zamraŝania τ(0,-15 o C), efektywny czas zamraŝania τ e (T p1,t o e C), efektywna szybkość zamraŝania, nominalna szybkość zamraŝania. 3. Wpływ róŝnych czynników na proces zamraŝania Z pośród przeprowadzanych analiz wynika, Ŝe proces zamraŝania zaleŝy od następujących czynników: wymiarów i kształtu zamraŝanego ciała, czynnej róŝnicy temperatur, współczynnika wnikania ciepła między produktem a medium, opakowania, współczynnika przewodzenia ciepła produktu. Na czas zamraŝania wpływa głównie grubość zamraŝanego ciała. Przy większych grubościach wpływ ten staje się dominujący, poniewaŝ rośnie proporcjonalnie do l 2 lub d 2. WaŜny jest takŝe kształt ciała. Przy tej samej grubości najkorzystniejszy jest kształt kuli, walca i prostopadłościanu. Najmniej korzystny kształt to płyta. Czynna róŝnica temperatur odgrywa znaczącą rolę szczególnie w zamraŝalniach owiewowych, gdzie współczynniki wnikania są małe i skrócenie czasu zamraŝania jest moŝliwe głównie przez obniŝenie temperatury powietrza. Wpływ przewodzenia λ pz rośnie wraz ze wzrostem grubości ciała, zaś wpływ współczynnika wnikania ciepła α jest tym większy, im mniejszy jest współczynnik przewodzenia. Współczynnik λ pz jest zaleŝny od właściwości fizycznych produktu i jego wpływ moŝna modyfikować tylko zmniejszaniem grubości produktu, co nie zawsze jest moŝliwe i wskazane. W przypadku współczynnika α konstruktor i uŝytkownik aparatów zamraŝalniczych ma wiele sposobów na zwiększenie intensyfikacji procesu. Chodzi tu głównie o poprawę tego współczynnika i wykorzystanie powierzchni

5 czynnej wymiany ciepła. Orientacyjne wartości współczynnika α przedstawia tabela 1. Tabela 1. Zestawienie współczynników wnikania ciepła α w róŝnych metodach mroŝenia. Opakowanie utrudnia warunki przepływu ciepła od powierzchni produktu do medium. Opakowanie zwłaszcza wielowarstwowe wydłuŝa czas zamraŝania, przy czym najwęŝszy opór cieplny wynika nie z grubości opakowania, lecz warstewki powietrza zawartej między produktem a opakowaniem lub między jego poszczególnymi warstwami. 4. Współczesne techniki zamraŝania Ogólny podział: ZamraŜan Powietrzne Kontaktowe Immersyjne Kriogeniczne Owiewo Fluidyzacyjn Płytowe LIN Tunele Rynnow Bębnow LIC Spiralno- Spiralno- Taśmow Taśmow ZamraŜani e Automatyczne Rys. 2. Podział urządzeń zamraŝalniczych LIN zamraŝanie w ciekłym azocie LIC zamraŝanie w ciekłym CO 2

6 4.1. ZamraŜanie w powietrzu ZamraŜanie powietrzne - polega na bezpośrednim oddziaływaniu strumienia zimnego powietrza o temperaturach rzędu 40 do 20 C na produkty czy towary zamraŝane. Powietrze z uwagi na niskie współczynniki wnikania ciepła α jest złym czynnikiem chłodzącym. Zwiększenie α jest moŝliwe przez intensyfikację ruchu powietrza tj. zwiększenie prędkości i burzliwości przepływu. Wymaga to większych nakładów energijnych na napęd silników jak i dodatkowej mocy chłodniczej do odprowadzenia ciepła pracujących wentylatorów. Pomimo tych wad zamraŝanie powietrzne jest powszechnie stosowane ze względu na: stosunkowe proste rozwiązania konstrukcji urządzeń zamraŝających, łatwość obsługi i pewność uŝytkowania, uniwersalność zastosowań urządzeń, wysoki standard higieny, niskie koszty eksploatacji w porównaniu z metodami kriogenicznymi. a) ZamraŜanie owiewowe - to zamraŝanie produktów poprzez owiewanie ich strumieniem zimnego powietrza, który odbiera od nich ciepło powodując obniŝenie ich temperatury. Tunele o działaniu okresowym są to komory o kształcie prostokąta, przelotowe lub nieprzelotowe. ZamraŜany produkt jest zawieszony na hakach lub rozkładany na tacach albo sitach umieszczonych na stelaŝach. ZamraŜanie odbywa się w poprzecznym lub podłuŝnym wymuszonym przepływie zimnego powietrza. Cykl zamraŝania zaleŝnie od typu urządzenia i rozmiarów produktów wynosi od 2h (małe opakowania bezpośrednie) do 40h (drób w opakowaniach handlowych, tusze mięsne luzem). Wada tej metody są niekorzystne warunki wymiany ciepła, wysokie jednostkowe zuŝycie energii i znaczne ubytki masy produktów.

7 Rys.3. Typowa zamraŝarka tunelowa w chłodniach składowych starszego typu Aparaty spiralno-tacowe zostały skonstruowane do hartowania lodów, ale moŝna je równieŝ uŝywać do zamraŝania dań gotowych, hamburgerów, paluszków rybnych. Rys.4. Tunel BT-700 Gram, widok ogólny w trakcie montaŝu (wg. firmowego prospektu); 1- transporter z tacami, 2- parownik, 3- punkt załadunku i wyładunku produktu, 4- tablica kontrolna, w końcowej fazie montaŝu prawy segment zostaje dosunięty do lewego Aparaty taśmowo spiralne - wyposaŝone są w taśmę o specjalnej konstrukcji, która jest ułoŝona na spiralnym ruszcie zamontowanym wokół bębna o osi pionowej. ObrzeŜa taśmy wykonane w postaci ogniw łańcucha mają wydłuŝone otwory, w których są osadzone poprzeczne pręty. Pręty te swobodnie przesuwają się w otworach obrzeŝy, co umoŝliwia niewielki skręt taśmy w płaszczyźnie poziomej. Elementem napędowym jest bęben. Ciągły i równomierny naciąg taśmy uzyskuje się poprzez specjalny mechanizm napinający. Napęd realizowany jest poprzez układ mechaniczny lub hydrauliczny.

8 Rys. 5. ZamraŜarka kontaktowa spiralna firmy FRIGOSCANDIA Automatyczne zamraŝarki do produktów w kartonach - są szczególnie przystosowane do wymagań nowoczesnych linii produkcyjnych drobiu o duŝych wydajnościach, ale są teŝ uŝywane do zamraŝania mięsa bez kości w blokach, elementów mięsnych i dań gotowych w opakowaniach. Charakterystyczną cechą tego procesu jest długi czas zamraŝania, co wynika ze stosunkowo duŝych grubości zamraŝanych produktów i izolacyjnego działania kartonu. Cykl zamraŝania wynosi 3-7h, co w połączeniu z duŝymi wydajnościami (3-7t) wymaga bardzo duŝej powierzchni załadowczej, zdolnej pomieścić kilkanaście a nawet kilkadziesiąt ton produktu. Stosowane są więc między innymi rozwiązania: tunel automatyczny stelaŝowy, ślizgowy, aparat spiralny. Rys. 6. ZamraŜarka do produktów w kartonach

9 b) ZamraŜanie fluidyzacyjne - zamraŝanie wg. tej koncepcji polega na przedmuchiwaniu rozdrobnionego na specjalnej taśmie produktu. Powietrze płynie z dołu do góry. W momencie kiedy prędkość strumienia powietrza przekroczy pewną wartość, zamraŝane cząstki przechodzą w stan fluidalny i cała warstwa zachowuje się jak ciecz. Cechą charakterystyczną tej metody zamraŝania jest to, Ŝe strumień omywa indywidualnie poszczególne cząstki. Obecnie występują następujące typy tuneli: Rys. 7. Zestawienie typów tuneli fluidyzacyjnych: a) rynnowy, b) jednotaśmowy, c) dwutaśmowy w układzie kaskadowym, d)dwutaśmowy w układzie nawrotnym, e) rynnowo-taśmowy W przypadku tuneli dwutaśmowych układzie kaskadowym moŝemy wyróŝnić dwa zasadnicze typy tych aparatów: - z parownikami umieszczonymi pod systemem taśm, - z parownikami usytuowanymi obok taśm ZamraŜanie kontaktowe

10 ZamraŜanie kontaktowe produkt jest zamraŝany dzięki bezpośredniemu stykowi z powierzchnią chłodzoną czynnikiem chłodniczym o odpowiednio niskiej temperaturze parowania. Czynnikiem chłodniczym jest najczęściej NH3 natomiast czynnikiem pośrednim glikol lub inne roztwory. DuŜy współczynnik wnikania ciepła wynoszący W/m 2 K pozwala na 8 krotne skrócenie czasu zamraŝania w stosunku do tunelu owiewowego. Dzięki wysokim współczynnikom α na intensywność wymiany ciepła nie ma tak wielkiego wpływu czynna róŝnica temperatur. W związku z tym temperaturę parowania moŝna zmniejszyć podwyŝszając ją do -32 C, a nawet do -23 C. Daje to zwiększenie wydajności objętościowej spręŝarek i tym samym zmniejszenie zapotrzebowania energii na ich napęd. Dodatkowo zuŝycie energii spada ze względu na wyeliminowanie wentylatorów. Aparaty do zamraŝania kontaktowego mają wysokie wskaźniki wydajności w odniesieniu do powierzchni fundamentu i kubatury urządzenia. Te zalety powodują, Ŝe szczególnie są stosowane na statkach. Nie znalazły one jednak szerszego zastosowania z uwagi na: konieczność przygotowywania do zamraŝania produktów o idealnie jednakowych grubościach, uciąŝliwości i pracochłonność obsługi i nie rozwiązane dotychczas pewne szczegóły konstrukcyjne mechanizmu za- i wyładunku produktów utrudniające eksploatację. WyróŜnić moŝna aparaty: kontaktowe płytowe poziome i pionowe, kontaktowe taśmowe do produktów stałych, płynnych i plastycznych kontaktowe bębnowe do produktów stałych i płynnych. ZamraŜa się tą metodą zwykle produkty uformowane w płaskie porcje lub bloki, które umieszczone są pomiędzy dociskanymi płytami z czynnikiem chłodniczym.

11 Rys. 8. Typowa zamraŝalnia tunelowa w chłodnicach składowych 4.3. ZamraŜanie immersyjne ZamraŜanie w cieczach niewrzących (immersyjne) odbywa się przez bezpośredni kontakt produktu z cieczą, np. roztworem soli kuchennej (solanka), chlorkiem wapnia, glicerolu. ZamraŜanie odbywa się w temperaturze od 16 C do 18 C, aby nie dopuścić do wytrącenia soli w chłodnicy. Do waŝniejszych zalet naleŝy zaliczyć duŝe współczynniki wnikania ciepła oraz krótki czas zamraŝania przy stosunkowo wysokiej temperaturze wrzenia czynnika chłodniczego. Wady to utrata barwy przez produkty zamraŝane na skutek absorbcji soli przez produkty, niebezpieczeństwo intensywnej korozji urządzeń i stały spadek stęŝenia roztworu na skutek absorbcji wilgoci z otoczenia ZamraŜanie kriogeniczne ZamraŜanie w cieczach wrzących odbywa się dzięki pobraniu przez ciekły czynnik chłodniczy ciepła na odparowanie bezpośrednio z produktów

12 zamraŝanych. W zamraŝaniu tą metodą znalazły zastosowanie m.in. takie czynniki jak ciekły azot, powietrze i dwutlenek węgla. Metoda cechuje się wysokimi współczynnikami wnikania ciepła i krótkimi czasami zamraŝania. Jest stosowana w produkcji na niewielką skalę, a znacznie częściej do celów specjalnych np. zamraŝanie preparatów farmaceutycznych. A) ZamraŜanie w ciekłym azocie (LNF) jest realizowane przez bezpośrednie zanurzenie produktów w ciekłym azocie (metoda niewykorzystywana obecnie ze względu na pękanie i małą ekonomiczność przez wykorzystanie jedynie ciepła parowania azotu). Bardziej współczesna metoda polega na podzieleniu procesu na 4 fazy: wstępnego schładzania, intensywnego zamraŝania, natrysków i wyrównania temperatury. W aparatach tych jest wykorzystane nie tylko ciepło parowania, ale takŝe ciepło przegrzania par. Tunele LNF umoŝliwiają bardzo szybkie zamroŝenie produktów. Cykl zamraŝania wynosi od 3 do 10 minut (przy większych elementach do 20 minut). B) ZamraŜanie w ciekłym CO 2 (LCO 2 F). Metoda zamraŝania przy uŝyciu ciekłego CO 2 jest podobna do systemu LNF (ciekły azot). C) ZamraŜanie w ciekłym powietrzu. Właściwości ciekłego powietrza są zbliŝone do ciekłego azotu (temp, ciepło parowania, gęstość itp.), ale aparaty wykorzystujące tą ciecz pracują na innej zasadzie. Bezpośredni natrysk ciepłego powietrza jest szkodliwy dla produktu, dlatego ciecz wtryskuje się w drobnych dawkach w strumień kaŝdego wentylatora. W systemie tym nie ma bezpośredniego parowania czynnika na powierzchni produktu, zatem współczynnik wnikania ciepła są zbliŝone do uzyskiwanych w tunelach owiewowych (α = W/(m2 K)). RóŜnica temperatur jest znacznie wyŝsza ( K), zatem uzyskiwane czasy zamraŝania około 3-krotnie krótsze. ZamraŜalnie tego typu są uŝywane rzadko i są wypierane przez aparaty LNF. Literatura: 1) Z. Gruda, J. Postolski ZamraŜanie Ŝywności 2) J. Postolski - seria artykułów do Techniki Chłodniczej i Klimatyzacyjnej (lata )

13 3) Strony internetowe: