2010-12-15 P O L I T E C H N I K A G D A Ń S K A W Y D Z I A Ł M E C H A N I C Z N Y Ogólna charakterystyka wraz z oceną użytkową nowoczesnych technik zamrażania żywności, szczególnie tzw. zamrażania szokowego w porównaniu do metod konwencjonalnych Część I: Ogólna charakterystyka wraz z oceną użytkową nowoczesnych technik zamrażania żywności Student: Michał Wajman Specjalność: Systemy, Urządzenia Chłodnicze i Klimatyzacyjne Przedmiot: Współczesne techniki zamrażania
Zawartość 1 Wiadomości wstępne... 2 2 Zamrażanie w powietrzu... 3 2.1 Zamrażanie owiewowe... 3 2.1.1 Charakterystyka zamrażania owiewowego... 3 2.1.2 Charakterystyka użytkowa zamrażania owiewowego... 4 2.2 Zamrażania fluidyzacyjne... 4 2.2.1 Charakterystyka zamrażania fluidyzacyjnego... 4 2.2.2 Ocena użytkowa zamrażania fluidyzacyjnego... 5 3 Zamrażanie kontaktowe... 6 3.1 Charakterystyka zamrażania kontaktowego... 6 3.2 Typy zamrażarek kontaktowych... 7 3.2.1 Płytowe zamrażarki kontaktowe... 7 3.2.2 Taśmowe zamrażarki kontaktowe... 7 3.3 Ocena użytkowa zamrażania kontaktowego... 8 4 Zamrażanie w cieczach niewrzących (immersyjne)... 8 4.1 Charakterystyka zamrażania w cieczach niewrzących... 8 4.2 Ocena użytkowa zamrażania w cieczach niewrzących... 9 5 Bibliografia... 10 1 Wiadomości wstępne Na współczesne techniki zamrażania składają się: zamrażanie w powietrzu, w którym możemy dodatkowo wyróżnić dwa rodzaje zamrażania: zamrażanie owiewowe; zamrażanie fluidyzacyjne; zamrażanie kontaktowe, które może być: zamrażaniem kontaktowym bezpośrednim; zamrażaniem kontaktowym pośrednim; zamrażanie w cieczach niewrzących (zamrażanie immersyjne); zamrażanie w cieczach wrzących (zamrażanie kriogeniczne): zamrażanie w ciekłym azocie (LIN);
zamrażanie ciekłym CO 2 (LIC); W opisywanej części tematu zostaną omówione dokładniej wszystkie techniki zamrażania, oprócz zamrażania w cieczach wrzących. Obecnie w przemyśle 90% stosowanych metod zamrażania opiera się na zamrażaniu w powietrzu, 9% na zamrażaniu kontaktowym, zaś w pozostałym 1% stosowane są inne, zaprezentowane powyżej techniki. 2 Zamrażanie w powietrzu 2.1 Zamrażanie owiewowe 2.1.1 Charakterystyka zamrażania owiewowego Zamrażanie owiewowe jest jednym z najstarszych wymyślonych typów zamrażania. Zamrażanie następuje poprzez umieszczenie żywności w pomieszczeniach mrożących zwanych zamrażarkami (w literaturze anglojęzycznej sharp freezers ). Czas zamrażania zależny jest w dużej mierze od temperatury komory mrożącej, typu zamrażarki oraz początkowej temperatury i wymiaru produktu. Rysunek 2.1 Zamrażarka owiewowa [1] Powietrze jako medium chłodzące może zamrażać produkty będąc w stanie nieruchomym lub przemieszczającym się (jego przepływ jest wymuszony). W zamrażarkach, w których stosowany jest wymuszony ruch powietrza, wykorzystuje się mechanizm konwekcji wewnątrz komory mrożącej. Zamrażanie owiewowe jest realizowane za pomocą zamrażarek takich jak: tunele okresowe, gdzie produkty ułożone są na tacach i umieszczone w specjalnych stojakach lub wózkach;
Rysunek 2.2 Wózek do przechowywania produktów w tunelach okresowych [1] zamrażarki taśmowe; zamrażarki spiralne tacowe; zamrażarki spiralne taśmowe; zamrażarki automatyczne stelażowe; 2.1.2 Charakterystyka użytkowa zamrażania owiewowego Zalety: Wady: najtańszy sposób zamrażania żywności; stała temperatura podczas przechowywania mrożonek, co pozwala na zamrażanie dużych ilości produktów nieprzetworzonych, takich jak ćwierci wołowe bądź ryby; wysoki standard higieny; prostota konstrukcji; najwolniejsza z metod zamrażania; powietrze jest bardzo złym medium chłodzącym (mała wartość współczynnika przewodzenia ciepła -> bardzo mały współczynnik wnikania ciepła -> długi czas zamrażania); poprawa współczynnika przejmowania ciepła (przez intensyfikację ruchu powietrza) jest zabiegiem energochłonnym; nawet modyfikacja zamrażarki poprzez zwiększenie pojemności chłodniczej oraz dodanie wentylatorów dla poprawy cyrkulacji powietrza nie jest w stanie pomóc w kontroli przepływu powietrza wzdłuż produktów podczas powolnego mrożenia; 2.2 Zamrażania fluidyzacyjne 2.2.1 Charakterystyka zamrażania fluidyzacyjnego Zamrażanie fluidyzacyjne jest unowocześnionym zamrażaniem owiewowym, wymyślonym w Szwecji na początku lat 60 XX w. Obecnie metodą tą zamraża się 90% warzyw i owoców, praktycznie
wszystko oprócz szpinaku puree. Opisywany typ zamrażania wykorzystuje zjawisko powstawania tzw. złoża fluidyzacyjnego. Chłodne powietrze nawiewane jest od dołu na taśmociąg, na którym znajdują się produkty. Po przekroczeniu pewnej prędkości powietrza produkty unoszą się i przechodzą w stan fluidalny (zawieszając się lub płynąc), a cała ich warstwa zachowuje się, jak ciecz. Efektem jest powstanie wcześniej wspomnianego złoża fluidalnego, w którym po dosypaniu produktów na jednym jego końcu, następuje samoczynne ich przemieszczanie w kierunku drugiego końca, w celu wyrównania poziomu warstwy na całej jej powierzchni. Rysunek 2.3 Zasada działania zamrażania fluidyzacyjnego [1] 2.2.2 Ocena użytkowa zamrażania fluidyzacyjnego Zalety: Wady: stosowanie dużych prędkości powietrza jest bardzo efektywne dla żywności nieopakowanej; pojedynczy produkt jest bardzo szybko mrożony (Individually Quick Frozen). IQF opiera zasadę swojego działania na małych cząsteczkach z tendencjami do wspólnego trzymania się i wykorzystaniu ich potencjału do zbrylania; przy niektórych typach zamrażanych produktów powstaje zjawisko silnego przywierania owoców do taśmy. Powoduje ono uratę części produktów oraz niszczenie taśmy. W związku z tym zamrażanie fluidyzacyjne nie może być stosowane do wszystkich rodzajów żywności (np. truskawki, maliny itp.); zbrylenie produktu może spowodować jego niedomrożenie;
Rysunek 2.4 Przykład zamrażarki wykorzystującej technikę zamrażania fluidyzacyjnego [1] 3 Zamrażanie kontaktowe 3.1 Charakterystyka zamrażania kontaktowego Zamrażanie kontaktowe jest uznawane za najstarszy typ wymyślonej techniki zamrażania produktów. W metodzie tej, czynnik chłodniczy służący do obniżenia temperatury produktu oraz do jego zamrożenia znajduje się bezpośrednim lub pośrednim kontakcie z produktem. Przy bezpośrednim zamrażaniu kontaktowym produkt zamrażany jest całkowicie otoczony przez czynnik, maksymalizując w ten sposób wymianę ciepła. Cały proces zachodzi w środowisku odizolowanym od otoczenia. Rysunek 3.1 Bezpośrednie zamrażanie kontaktowe [1] W pośrednim zamrażaniu kontaktowym taśma lub stalowa płyta, na której jest umieszczony produkt ma kontakt z medium mrożącym, zaś sam produkt jest przez nią odseparowany od czynnika. Proces ten również zachodzi w środowisku odizolowanym od otoczenia. Rysunek 3.2 Pośrednie zamrażanie kontaktowe [1]
3.2 Typy zamrażarek kontaktowych 3.2.1 Płytowe zamrażarki kontaktowe Płytowe zamrażarki kontaktowe są najbardziej popularnymi typami stosowanych rozwiązań w zamrażaniu kontaktowym. W zamrażarce płytowej produkt zostaje ściśnięty pomiędzy metalowymi płytami, pionowo lub poziomo. Czynnik chłodniczy krąży wewnątrz płyt, jest więc to kontaktowe zamrażanie pośrednie. Ściśnięcie stosuje się w celu uzyskania dobrego kontaktu pomiędzy produktem, a powierzchniami wymiany ciepła. Przykładowa zamrażarka płytowa zobrazowana jest na Rys. 3.3. Rysunek 3.3 Zamrażarka płytowa ze sprężarką dwustopniową i skraplaczem chłodzonym wodą morską [1] Ten typ zamrażarek kontaktowych ograniczony jest tylko do materiałów lub bloków (brył) o regularnych kształtach, a więc np. do kotletów wołowych lub paczkowanych produktów o blokowym (bryłowym) kształcie. 3.2.2 Taśmowe zamrażarki kontaktowe Ten typ zamrażarki jest projektowany albo jako zamrażarka jedno, albo dwutaśmowa, do mrożenia cienkiej warstwy produktów (Rys. 3.4). Zamrażarka taśmowa może być zamrażarką prostą bądź bębnową. Typowe produkty mrożone w tego typu urządzeniach to sosy, zupy, żółtka jaj oraz miazga owocowa. Rysunek 3.4 Zamrażarka taśmowa kontaktowa [1]
3.3 Ocena użytkowa zamrażania kontaktowego Zalety: Wady: jedna z najbardziej efektywnych metod pod względem mechanizmu wymiany ciepła (bardzo dobre warunki wymiany ciepła, wysoka przejmowalność energii cieplnej i krótki czas mrożenia); małe wymiary urządzeń mrożących; system pośredniego zamrażania kontaktowego nie może być stosowany do mrożenia produktów paczkowanych (ze względu na odporność opakowań na wymianę ciepła oraz możliwość wystąpienia korozji w przypadku interakcji metalowych opakowań z powierzchnią wymiany ciepła); uciążliwa obsługa urządzenia; 4 Zamrażanie w cieczach niewrzących (immersyjne) 4.1 Charakterystyka zamrażania w cieczach niewrzących Zamrażarki immersyjne posiadają w swojej budowie dodatkowy element, który zasadniczo odróżnia je od pozostałych zamrażarek. Jest to zbiornik na ciecz niewrzącą. Cieczą niewrzącą, będącą medium mrożącym o niskiej temperaturze może być glikol, glicerol, chlorek sodu lub chlorek wapnia, wraz z mieszaniną soli i cukru. W zamrażaniu immersyjnym produkt zostaje zanurzony w cieczy niewrzącej, bądź jest nią natryskiwany, podczas gdy przemieszcza się przez zamrażarkę. Stosowana substancja rozpuszczająca się w roztworze musi być pozbawiona koloru, zapachu oraz smaku. W niektórych przypadkach w opisywanej technice zamrażania stosuje się specjalne membrany zabezpieczające produkt przed medium mrożącym, jeśli istnieje prawdopodobieństwo uszkodzenia produktu. Rysunek 4.1 Schemat przykładowej zamrażarki immersyjnej [1]
Zgodnie z Rys. 4.1, cały następujący proces obróbki przemieszczającego się po taśmociągu produktu składa się zanurzenia w cieczy niewrzącej, osuszenia, opłukania oraz ponownego osuszania. 4.2 Ocena użytkowa zamrażania w cieczach niewrzących Zalety: Wady: bardzo szybka redukcja temperatury produktu poprzez bezpośrednią wymianę ciepła; zanurzenie produktu w ciekłym czynniku chłodniczym jest najszybszą metodą zamrażania (ciecze mają lepszą przewodność cieplną od powietrza); zamrażane produkty muszą mieć większą gęstość od substancji rozpuszczonej (ograniczenie zakresu zamrażania produktów żywnościowych); roztwór może zostać rozcieńczony przez produkt, co zmienia stężenie roztworu i parametry procesu; sól silnie koroduje urządzenia;
5 Bibliografia 1. http://www.fao.org/ 2. http://www.guidetohomecanning.com/freezing-foods/ 3. http://www.annajoule.21food.com/showroom/34712/product/vannamei-prawn.html 4. http://www.eatrightontario.ca/en/viewdocument.aspx?id=148 5. http://solutionsforyourlife.ufl.edu/hot_topics/families_and_consumers/freezing_fruit.html 6. http://www.fao.org/ 7. http://www.biotechnologia.uni.opole.pl/ 8. Zamrażanie żywności Z. Gruda, J. Postolski, WNT, 1999;