WSPÓŁCZESNE TECHNIKI ZAMRAśANIA Temat: Technologie stosowane w zamraŝaniu produktów Ŝywnościowych cz.2z2

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA Wydział Mechaniczny WSPÓŁCZESNE TECHNIKI ZAMRAśANIA Temat: Technologie stosowane w zamraŝaniu produktów Ŝywnościowych cz.2z2 Alan Kaszyński wydz. Mechaniczny sem. 9 SMiUE, SUChiKl

2 1. pojęcie technologii i zamraŝania Technologia całokształt wiedzy dotyczącej konkretnej metody wytworzenia jakiegoś dobra lub uzyskania określonego efektu przemysłowego lub usługowego. Wiele produktów wymaga zastosowania lub moŝe być wytworzonych w róŝnych technologiach (np. zegarek mechaniczny czy cyfrowy), a o ich wyborze decyduje wiele czynników technicznych, ekonomicznych, społecznych czy kulturowych, jak np. koszt, czas, obwarowania prawne, bezpieczeństwo, wygoda itp. ZamraŜanie- proces, w trakcie którego występuje obniŝenie wewnętrznej temperatury produktu poniŝej punktu krioskopowego. Na ten proces składa się: cały cykl utrwalania produktów przez zastosowanie niskich temperatur, z uwzględnieniem wszystkich operacji technologicznych, które są konieczne aŝeby osiągnąć załoŝony efekt. 2. Cele zamraŝania produktów Ŝywnościowych Utrwalania produktów Ŝywnościowych poprzez zamraŝanie dokonuje się po to Ŝeby: - maksymalnie zwiększyć trwałość tychŝe produktów, - dokonać tego przy jak najmniejszych zmianach ich cech wyjściowych, 3. Podstawowe warunki, które muszą być spełnione, aby uzyskać utrwalające efekty procesu zamraŝania śeby uzyskać utrwalające efekty procesu zamraŝania trzeba spełnić dwa warunki: - stosowanie temperatur <-20 C, - odwodnienie produktu wskutek przemiany fazowej wody w lód.

3 2.ZamraŜanie kontaktowe Produkt jest zamraŝany dzięki bezpośredniemu stykowi z powierzchnią chłodzoną czynnikiem chłodniczym o odpowiednio niskiej temperaturze parowania. 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

4 szczegóły konstrukcyjne mechanizmu za- i wyładunku produktów utrudniające eksploatację. Tunel taśmowo-spiralny firmy C.E.S

5 Tunel taśmowo-spiralny firmy FRIGOSCANDIA Wydajność zamraŝania do kg/h, Prędkość posuwu taśmy 46 m/min, Szerokość taśmy 1370 mm, Długość taśmy 1800 m w jednej spirali, Temperatura wrzenia czynnika -50 C, 3.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. 4.ZamraŜanie w cieczach wrzących (szokowe) odbywa się dzięki pobraniu przez ciekły czynnik chłodniczy ciepła na odparowanie bezpośrednio z produktów zamraŝanych. W zamraŝaniu tą metodą znalazły zastosowanie m.in. takie czynniki jak ciekły azot(lin), powietrze i dwutlenek węgla(lic). 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. parametr jakości mroŝone LIN " na ciepło" mroŝone LIN po schłodzeniu mroŝone owiewowo po schłodzeniu ususzka % 0,26 0,31 0,34 wyciek soku % 1,30 1,40 1,70 ubytki termiczne % 41,00 39,00 42,00 siła cięcia kg/ cal 10,80 12,50 14,30 kruchość pkt 3,80 3,70 3,40 soczystość pkt 3,60 3,50 3,30 smakowitość pkt 4,10 4,00 3,90 ogólna liczba drobnoustrojów po 18 m-cach w tys szt / g 16,90 19,70 18,70

6 ubytek masy podczas rozmraŝnia % 1,05 2,34 3,80 RAZEM UBYTKI 2,61 4,05 5,84 * źródło: materiały z XI Ogólnokrajowego Seminarium Kriogeniki ZAMRAśANIE W CIEKŁYM AZOCIE (LIN) Poszczególne rodzaje urządzeń zamraŝalniczych typu LIN w róŝnym stopniu wykorzystują ciepło UŜyteczne ciekłego azotu. W większości z nich dąŝy się do wykorzystania zarówno ciepła parowania, jak i ciepła przegrzania par azotu, aby zmniejszyć zuŝycie gazu oraz uzyskać wysoką sprawność procesu zamraŝania h. Pomimo, Ŝe koszty inwestycyjne metod kriogenicznych są niskie (para wrzącego czynnika praktycznie nie jest zawracana, co nie wymaga duŝej rozbudowy urządzeń w porównaniu do urządzeń tradycyjnych) oraz usprawniła się i zagęściła znacznie sieć dystrybucji kriocieczy, to jednak metody te, jak dotąd, nie są stosowane na szeroką skalę. Decydują o tym koszty utrzymania urządzenia w ruchu, które ze wzglądu na to, Ŝe czynnik naleŝy ciągle uzupełniać są wysokie. Przeciętne zuŝycie to 1.5 kg czynnika na 1 kg produktu, przy czym jest ono zaleŝne od rodzaju zamraŝanego produktu oraz od czasu pracy danego urządzenia zamraŝalniczego. NaleŜy zauwaŝyć, Ŝe na dodatkowe zuŝycie gazów mają takŝe wpływ zyski cieplne obudowy urządzenia, przewodów, zbiornika cieczy oraz energia wychładzania po przestoju. Ograniczenie tych strat wymaga specjalnego izolowania poszczególnych części całego systemu oraz optymalnego jego rozmieszczenia w przestrzeni. Aparaty typu LIN, dzięki występującej w nich duŝej róŝnicy temperatur pomiędzy rozpręŝającym się ciekłym azotem (-196 C) i zamraŝanym produktem, umoŝliwiają bardzo szybkie ich zamroŝenie. Zwykle czas tego procesu wynosi od 3 do 10 min, stąd teŝ przebieg krzywej zamraŝania jest prawie pionowy

7 Rys.3 Temperatura w środku produktu Tc przy zamraŝaniu w aparacie LIN A i tunelu owiewowym B 1 - ciasto z jabłkami, 2 - kruche ciasto Do zamraŝania produktów spoŝywczych stosowane są następujące urządzenia typu LIN: zamraŝarki tunelowe; zamraŝarki spiralne; zamraŝarki komorowe; zamraŝarki immersyjne (zanurzeniowe); zamraŝarki bębnowe - śrubowe. ZamraŜanie CIEKŁYM CO2 (LIC) Metoda zamraŝania ciekłym CO2 jest określana w skrócie LIC {Lląuid Carbon-- Dioxide-Freezing). Przy ciśnieniu atmosferycznym dwutlenek węgla moŝe występować tylko w stanie stałym (suchy lód) lub gazowym. Ciekły CO2 jest dostarczany w butlach lub cysternach pod ciśnieniem ok. 2,0 MPa (w temp C). Do celów zamraŝalniczych jest składowany w izolowanych zbiornikach w temperaturze od -20 do -30 C i ciśnieniu 1,5-2,0 MPa. Zbiorniki są chłodzone za pomocą małych, automatycznych instalacji freonowych. Chłodzenie jest konieczne w celu podniesienia efektywności procesu zamraŝania. Im niŝsza jest temperatura w zbiorniku, tym wyŝsza wartość ciepła UŜytecznego czynnika. Ciecz rozpręŝana w dyszach zamienia się w przybliŝeniu w połowie w śnieg", w połowie w gazowy CO2. Proces zamraŝania w zamraŝarkach LIC jest w zasadzie taki sam, jak w aparatach

8 LIN. Wykres temperatur ma teŝ podobny charakter z tym, Ŝe czynne róŝnice temperatur w poszczególnych strefach aparatu są znacznie mniejsze (temperatura sublimacji śniegu" CO2 przy ciśnieniu atmosferycznym -78,5 C, wrzenia ciekłego azotu -195,9 C). RównieŜ warunki przepływu ciepła od produktu do stałego CO2 w strefie najbardziej intensywnej wymiany są o wiele gorsze niŝ przy natrysku LN2. W rezultacie średni współczynnik wnikania ciepła α w zamraŝarkach LIC jest blisko 2-krotnie mniejszy niŝ w aparatach LIN i wynosi W/( m2 K) ZamraŜanie przy uŝyciu ciekłego CO2 jest natomiast stosunkowo korzystne pod względem energetycznym i ekonomicznym. W porównaniu z metodą LIN ogólny wydatek energii jest blisko 4-krotnie mniejszy, a cena czynnika ok. 3,5- krotnie niŝsza. Konstrukcja zamraŝarek LIC jest w zasadzie taka sama, jak zamraŝarek LIN. RóŜnią się tylko typem dysz w systemach natrysku. Przestawienie urządzenia z ciekłego azotu na ciekły dwutlenek węgla wymaga wymiany dysz odpowiedniego nastawienia temperatur i szybkości posuwu taśmy na tablicy rozdzielczej

9 1 - przewód dostarczający produkt, 2 - strefa wstępnego podmroŝenia, 3 - formierka bębnowa, 4 - wylot produktu w formie tabletek, 5 - tablica kontrolna, 6 - pomost obsługi, 7 - konstrukcja nośna, 8 - wylot gazu Zalety wykorzystania kriotechnologii: - Proces mroŝenia jest bardzo intensywny (duŝy współczynnik przekazywania ciepła, duŝa róŝnica temperatur między czynnikiem roboczym a produktem). - Bardzo krótki czas zamraŝania (od 3 do 10 minut, przy produktach o większych gabarytach do 20 minut). - Brak negatywnego oddziaływania chemicznego czynnika na produkt. - Niewielki koszt inwestycyjny urządzenia (para wrzącego czynnika nie jest zawracana, co nie wymaga rozbudowy urządzenia) Wady wykorzystania kriotechnologii: - 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 (konieczność izolacji części systemu) oraz wychładzaniem urządzenia po przestoju. Zalety mroŝenia kriogenicznego: - Szybka dezaktywacja enzymów negatywnie oddziałujących na jakość produktu. - Zmniejszenie efektu ususzki (ubytki masy przy zamraŝaniu w aparatach kriogenicznych wahają się w granicach % - metoda fluidyzacyjna % - tunele owiewowe 2-3% - aparaty taśmowo - spiralne 1.2%. - Równomierna krystalizacja wody na zewnątrz i wewnątrz komórki - kryształy lodu nie naruszają struktury tkankowej. - Produkt zachowuje naturalny wygląd po rozmroŝeniu - ograniczenie wycieków i zmian konsystencji. - Produkt o minimalnym stopniu przetworzenia.

10 Literatura 1. Gruda Z., Apostolski J.: ZamraŜanie Ŝywności. Warszawa. WNT Internet