Przedmiot: NOWOCZESNE TECHNIKI ZAMRAŻANIA TEMAT: Budowa i charakterystyka działania urządzeo typu LIN przeznaczonych do kriogenicznego zamrażania żywności. Plan referatu: 1. Wstęp. 2. Zamrażanie kriogeniczne charakterystyka. 3. Urządzenia typu LIN do kriogenicznego zamrażania żywności: A. Zamrażarki tunelowe. B. Zamrażarki spiralne. C. Zamrażarki komorowe. D. Zamrażarki immersyjne. E. Zamrażarki bębnowo śrubowe. F. Specjalne przystawki LIN. 6. Podsumowanie. 7. Bibliografia. Klaudyna Zoła SUChiKl Semestr 09 Rok akademicki 2010/2011
1. WSTĘP: Coraz większa świadomośd konsumentów, zmieniające się wraz z jej wzrostem przyzwyczajenia żywnościowe oraz chęd poznania zupełnie nowych, egzotycznych produktów wymusza na producentach dbałośd o wysoką jakośd swoich produktów. Dlatego też wytwórcy coraz częściej i chętniej sięgają po mrożenie kriogeniczne. 2. ZAMRAŻANIE KRIOGENICZNE CHARAKTERYSTYKA: Zamrażanie kriogeniczne to według nomenklatury przyjętej przez Międzynarodowy Instytut Chłodnictwa zamrażanie czynnikiem o temperaturze poniżej -150 ºC (123 K). Ze względów praktycznych zastosowanie znalazły jednak tylko dwie ciecze wrzące: ciekły azot (LIN) i dwutlenek węgla (LIC). (Zamrażanie ciekłym CO 2 o temperaturze sublimacji -78,5 ºC nie mieści się w zakresie określonym przez MICh, ale ze względu na podobny przebieg procesu często zostaje włączone.) Inne ciecze nie są stosowane z uwagi na cenę, bezpieczeostwo pracy lub szkodliwy wpływ na zamrażane produkty. Ta technologia wykorzystuje ciepło parowania oraz ciepło przegrzania pary czynników kriogenicznych, może byd realizowane przez zanurzanie lub natrysk. Zamrażanie w cieczach wrzących charakteryzuje się bardzo dużymi współczynnikami wnikania ciepła (1000 2000 W/m 2 K), wysokimi różnicami temperatur pomiędzy medium a produktem, co prowadzi do bardzo krótkiego czasu mrożenia - wynosi zazwyczaj od 3 do 10 minut. Szybkie przemieszczanie się frontu lodowego do środka produktu powyżej 5 cm/ h to efekt tzw. mrożenia szokowego. Zamrażanie kriogeniczne wykorzystywane jest w technologii indywidualnego szybkiego zamrażania (IQF Individually Quick Frozen). Mrożenie kriogeniczne stosujemy w: przetwarzaniu produktów delikatnych i drobnych, gdy zależy nam na bardzo wysokiej jakości produktu koocowego, utrwalaniu owoców, warzyw i grzybów, przemyśle piekarniczym i cukierniczym, zamrażaniu płynnej żywności (masa jajkowa, sosy), mrożeniu koncentratów soków, proszkowaniu tłuszczów jadalnych. Koszty inwestycyjne urządzenia i potrzebnych instalacji jest bardzo niski, gdyż nie ma potrzeby tworzenia specjalnych maszynowi podczas zamrażania kriogenicznego ciekły azot (dwutlenek węgla) jest wykorzystywany jednokrotnie, po odparowaniu gaz nie jest ponownie skraplany, lecz wyprowadzany na zewnątrz hali produkcyjnej. Na użyteczną różnicę entalpii składa się ciepło parowania gazu oraz różnica temperatur pomiędzy fazą gazową czynnika, a temperaturą produktu. Warunki wnikania ciepła są istotnie różne w zależności od rodzaju urządzenia i prędkości ruchu oparów gazu. Ubytek masy przy zamrażaniu kriogenicznym waha się w granicach 0,43 0,7% co jest wynikiem dwukrotnie niższym niż w przypadku innych metod. Wadą tej technologii jest jednak bardzo wysoki koszt eksploatacyjny. Przeciętne zużycie czynnika kriogenicznego to 1,5 kg na 1 kg zamrażanych produktów, a trzeba go stale dostarczad. Dodatkowe zużycie wynika z wpływu zysków ciepła obudowy urządzenia, przewodów, zbiornika czynnika oraz energii wychładzania po przestoju. Ograniczanie tych strat polega na odpowiednim izolowaniu wszystkich części systemu (najczęściej jest to
izolacja próżniowa zbiorników) i stosowaniu możliwie krótkich przewodów. Transport ciekłego azotu odbywa się przy ciśnieniu 300 kpa i temperaturze -180 ºC. Z tych powodów mrożenie w cieczach wrzących jest stosowane przeważnie w drobnej produkcji (do 500 ton / rok). Przy większych ilościach kriogenika jest wykorzystywana jedynie w kombinacji ze zwykłymi metodami zamrażania, aby usprawnid ich pracę tzw. mrożenie kriomechaniczne oraz w okresach szczytowych dostaw surowca. 3. URZĄDZENIA TYPU LIN DO KRIOGENICZNEGO ZAMRAŻANIA ŻYWNOŚCI: W zamrażarkach kriogenicznych na ciekły azot, w większości wykorzystuje się ciepło parowania oraz ciepło przegrzania par azotu. Temperatura gazu opuszczającego urządzenie jest znacznie wyższa od temperatury wrzenia. Użyteczne ciepło całkowite ciekłego azotu można wyrazid wzorem: Gdzie: q u użyteczne ciepło całkowite *kj/kg+ q f ciepło parowania azotu *kj/kg+ c f ciepło właściwe par azotu *kj/(kg K)+ T f2 temperatura odlotowa par azotu [ºC]. Sprawnośd urządzeo tylu LIN możemy obliczyd ze wzoru: Gdzie: G P ilośd zamrożonego produktu *kg+ q N ciepło odebrane od produktu netto *kj/kg produktu+ G LP ilośd zużytego azotu *kg+ q u ciepło użyteczne azotu *kj/kg azotu+. Sprawnośd tych urządzeo mieści się w przedziale od 70 do 85%. W pierwszych latach stosowania cieczy wrzącej do zamrażania produktów, urządzenia typu LIN po prostu umożliwiały zanurzanie w ciekłym azocie. Wadą tych rozwiązao było m.in. raptowne kurczenie się zamrażanego produktu i w efekcie jego uszkodzenie oraz niska efektywnośd z powodu wykorzystywania jedynie ciepła parowania ciekłego czynnika. Obecnie metodę tę wykorzystujemy, aby zamrozid takie produkty, dla których inne metody zamrażania nie pozwalają osiągnąd odpowiednio wysokiej jakości. Stosujemy następujące urządzenia typu LIN: zamrażarki tunelowe, zamrażarki spiralne, zamrażarki komorowe, zamrażarki immersyjne, zamrażarki spiralne bębnowe.
A. ZAMRAŻARKI TUNELOWE: Konstrukcja tunelowych zamrażarek LIN jest następująca. W izolowanej obudowie zamontowany jest poziomy transporter siatkowy, który przy wolcie i wylocie wybiega poza obudowę. W pobliżu wylotu taśmy zamontowane są dysze natryskowe ciekłego azotu. Górna częśd obudowy lub jej podłoga w zależności od modelu i producenta może byd unoszona za pomocą mechanizmu hydraulicznego, dzięki czemu umożliwione jest mycie, dezynfekcja i przegląd aparatu. W tej części znajdują się system natrysków i wentylatory osiowe, wywołujące intensywny ruch zimnego gazu wokół produktu. Ciekły czynnik jest doprowadzany do dysz i po zetknięciu się z produktami zamienia się w parę. Tworzą się dwa strumienie pierwszy (99% pary) płynie w przeciwprądzie do ruchu taśmy i jest zasysany przez wentylator znajdujący się na wylocie tunelu, drugi (1% pary) biegnie wraz z taśmą do wylotu zapobiegając infiltracji powietrza z zewnątrz. Zamrażanie odbywa się w czterech strefach: I. Strumieo par azotu o temperaturze od -20 ºC do -100 ºC schładza wstępnie surowiec do temperatury zamrażania. II. Strumieo par ma temperaturę od -100 ºC do -190 ºC. Produkt jest w połowie zamrożony, temperatura jego wnętrza to około 0 ºC. III. Bezpośredni natrysk ciekłego azotu powoduje całkowite zamrożenie z bardzo dużym zróżnicowaniem temperatury surowca na powierzchni około -100 ºC, we wnętrzu od -5 ºC do -10 ºC. IV. Wyrównanie temperatury do -20 ºC. W strefie natrysków urządzenia nie ma izolowanej wanny zbierającej nadmiar ciekłego czynnika, pompy zwracającej czynnik do dysz natryskowych. Ciekły azot jest dozowany wprost ze zbiornika w ilości zapewniającej pełne wyparowanie i wymagane zamrożenie produktu. Odpowiednio zaprogramowany mikroprocesor kontroluje prędkośd transportera, temperaturę gazu w przewodzie wylotowym wentylatora wyciągowego i dopływ ciekłego czynnika sterujący tym samym pracą urządzenia. Zamrażarki tunelowe LIN mają stalową konstrukcję montowaną na podłodze hali produkcyjnej nie wymagają fundamentów. Mają formę modułów, dzięki czemu można je dowolnie łączyd tworząc zestawy o długości od 6 do 18 metrów. Podstawowe szerokości taśmy to 75, 100 i 125 cm. Wydajnośd tych urządzeo plasuje się w przedziale od 300 do 1000 kg/h (specjalne wykonanie do 1500 kg/h). Przy racjonalnym ruchu aparaty odbierają od produktu 350 380 kj/ kg ciekłego azotu. 1. podawanie surowca 2. wyciąg gazu 3. wentylatory 4. zawór LN 2 5. tablica kontrolna 6. wylot produktu 7. napęd taśmy Rysunek 1. Zamrażarka tunelowa AGA Freeze L.
B. ZAMRAŻARKI SPIRALNE: Te urządzenia zamiast transportera poziomego mają przenośnik siatkowy poprowadzony spiralnie wokół bębna. Dzięki temu te urządzenia mają znacznie mniejsze wymiary. W tych zamrażarkach wykorzystanie ciepła parowania azotu jest mniejsze niż w rozwiązaniach tunelowych. Poziom zużycia ciekłego czynnika jest jednak niemal identyczny z uwagi na mniejsze straty ciepła. Są to zamrażarki cięższe, droższe i bardziej skomplikowane mechanicznie. Świeży produkt jest wprowadzany do urządzenia od dołu i przenoszony po spirali w górę aż do wylotu. Podczas tej drogi surowiec jest poddawany ciągłemu silnemu owiewowi gazowym N 2 o temperaturze w przedziale od -50 ºC do -60 ºC. Jest to tym samym temperatura gazu odlotowego, która jest utrzymywana automatycznie przez termostat sterujący natryskiem LN 2. Zachodzi wstępne schłodzenie, a potem powierzchniowe omrożenie produktu. W koocowej fazie produkt przechodzi pod natryskiem ciekłego azotu, gdzie następuje jego głębokie przemrożenie, a w krótkiej strefie za dyszami wyrównanie temperatury. Wentylator ssawny z dyszą ssawną przy wlocie produktu kieruje główny strumieo gazu do tego otworu. Przez otwór wylotowy wybiega niewielka ilośd tego strumienia (3 5%), zapobiegając infiltracji powietrza zewnętrznego. Zamrażarki śrubowe LIN mają stalową konstrukcję. W zależności od producenta i modelu mają one różne wymiary: długośd 3 7,5 m, szerokośd ok. 3,5 m, wysokośd ok. 2,5 m. Czas zamrażania wynosi od 5 do 90 minut, wpływa na niego oczywiście wielkośd produktu. Wydajnośd tych urządzeo plasuje się w przedziale od 600 do 3900 kg/h. 1 zbiornik LN 2 2 podawanie surowca 3 natrysk LN 2 4 wyciąg gazu 5 wylot zamrożonego produktu Rysunek 2. Schemat działania zamrażarki śrubowej. C. ZAMRAŻARKI KOMOROWE: Popularnie zwane są szafami. Stosowane są do działania okresowego. Stosowane są w przypadkach gdy wydajnośd urządzenia nie jest najważniejsza lub kiedy zależy nam na zachowaniu delikatnego kształtu wyrobu szybkie zamrażanie powierzchniowe, tzw. crust freezing w przemyśle cukierniczym, piekarskim, rybnym, drobiarskim i mięsnym. Produkty załadowywane są na wózki, które wprowadzane są do komory mrożącej, gdzie zostają zamrożone pod działaniem cyrkulującego gazu chłodzącego. Zamrożenie uzyskuje się poprzez wtrysku gazu przez dysze. Proces trwa od 5 do 10 minut. Dobrą wymianę ciepła uzyskuje się dzięki wentylatorom, które dokładnie mieszają zimny gaz, a później usuwają nadmiar odparowanego czynnika. W ciągu godziny w zamrażarce komorowej (w zależności od jej wielkości) można zamrozid od 100 do 800 kg.
Rysunek 3. Zamrażalnia komorowa. Do głównych zalet zamrażarek komorowych należy: elastycznośd produkcyjna instalacji (w celu zmiany wydajności godzinowej wystarczy zmienid temperaturę pracy), szybkośd uzyskania pełnej wydajności szafy chłodniczej, niskie koszty inwestycyjne, niskie zużycie energii, zajmowanie małej przestrzeni, łatwa obsługa i konserwacja. D. ZAMRAŻARKI IMMERSYJNE (ZANURZENIOWE): Te urządzenia przeznaczone są głównie do hartowania lodów na patyku i zamrażania warstwy polew. Jest to zamrażarka najprostsza w swojej budowie składa się tylko z dwóch zasadniczych części: transportera i zestawu wanien wypełnionych ciekłym azotem. Aparat ma budowę modułową i w zależności od potrzeb można go rozbudowywad. Pierwszy i ostatni moduł wyposażony jest dodatkowo w roboty pozwalające na szybkie i precyzyjne zakładanie i zdejmowanie lodów z przenośnika. Transporter porusza się cyklicznie. Gdy produkty znajdują się nad pierwszą wanną układ siłowników pneumatycznych obniża tę częśd przenośnika i następuje faza zanurzenia. Po określonym czasie lody zostają wynurzone. Zamrażanie immersyjne charakteryzuje wysokie zużycie ciekłego czynnika z powodu dużej swobodnej powierzchni czynnika. Taki system stwarza zagrożenie zanieczyszczenia powietrza, dlatego też aparaty te wyposaża się w czujniki, które reagują na zmianę składu atmosfery. Wanna LN 2 jest izolowana próżniowo. Rysunek 4. Schemat działania kriogenicznej zamrażalni zanurzeniowej.
E. ZAMRAŻARKI BĘBNOWE - ŚRUBOWE: Zamrażarki tego typu oparte są na technologii indywidualnego szybkiego zamrażania (IQF). Dzięki nim nie tylko zamrażamy produkt, ale także mieszamy różne składniki i obtaczamy surowiec w sosie. Aparat składa się z trzech elementów: przenośnika zasilającego, wanny z ciekłym azotem oraz obrotowego bębna. Produkt wędruje przenośnikiem do wlotu tumblera zamrażalniczego i zanurza się bezpośrednio we wrzącym azocie, znajdującym się na dnie wanny. W początkowej fazie surowiec pływa w LN 2 na skutek wrzenia czynnika. Gdy temperatura produktu obniży się, następuje ograniczenie efektu wrzenia i produkt opada na dno wanny, skąd zostaje przetransportowany przenośnikiem śrubowym zamocowanym do wanny. Produkt wraz z oparami azotu trafia do bębna, gdzie w czasie przemieszczania się wzdłuż jego długości temperatura w całej objętości surowca wyrównuje się. Dzieje się tak dzięki wymuszeniu ruchu par przez system wentylatorów. Wydajnośd aparatów bębnowo śrubowych sięga do 1500 kg / h. Rysunek 5. Zamrażarka bębnowo - śrubowa firmy Linde. F. SPECJALNE PRZYSTAWKI LIN: Przystawki są stosowane przy zamrażaniu delikatnych i delikatnych surowców, które są problemem dla zamrażarek konwencjonalnych. Produkty plastyczne i płynne mogą byd zamrażane przy użyciu przystawek umożliwiających IQF. Te urządzenia są montowane do zamrażarek tunelowych lub spiralnych. Przystawka znajduje się przed właściwą zamrażarką. Powierzchniowe omrożenie spodu miękkich produktów zapobiega niekorzystnemu zjawisku powstawania odcisków taśmy i przywierania do niej. Spód produktów podawanych na taśmę natychmiast zamarza tworząc twardą powierzchnię. We zamrażarce spiralnej / tunelowej następuje pełne zamrożenie produktu.
1 doprowadzenie produktu 2 strefa wstępnego podmrożenia 3 formierka bębnowa 4 wylot produktu jako tabletek 5 panel kontrolny 6 pomost obsługi 7 konstrukcja nośna 8 wylot gazu Rysunek 6. Przystawka tabletkowa Pello Freeze 25. Aby uniknąd zakupu bardzo drogich, opłacalnych tylko przy dużej skali aparatów służących do zamrażania w formie tabletek (IOF), stosuje się kombinację odpowiedniej przystawki i właściwej zamrażarki. W przystawce zachodzi pierwsza faza mrożenia płynnego produktu (soku, przecieru, zupy, itp.). Surowiec jest dozowany na transporter taśmowy, gdzie zostaje pod natryskiem LN 2 schłodzony do temperatury, w której staje się półplastyczny. W takiej postaci produkt dostaje się między dwa bębny formierki, również chłodzone ciekłym azotem. Wypadające z nich tabletki mają na tyle twardą powierzchnię, że można je dalej zamrażad w urządzeniu tunelowym lub spiralnym. 1 taśma listwowa 2 napęd taśmy 3 transporter wylotowy 4 panel kontrolny 5 zasilanie LN 2 6 konstrukcja nośna 7 nakrywa Rysunek 7. Przystawka LIN AGA Freeze F. 4. PODSUMOWANIE: Przedstawione w tym referacie urządzenia typu LIN do kriogenicznego mrożenia żywności są dobierane do procesu technologicznego w zależności od rodzaju surowca i efektu jaki chcemy uzyskad podczas zamrażania. Producenci oferują nam szeroką ofertę zamrażarek LIN od małych urządzeo pracujących tylko okresowo, do takich o bardzo dużych wydajnościach pracujących stale. Nowe metody o mniejszym zużyciu ciekłego azotu i dające lepsze własności koocowe surowca wypierają stosowane początkowo zamrażarki immersyjne.
5. BIBLIOGRAFIA: Betlioski Ł., Bonca Z.: Urządzenia typu LIN do kriogenicznego zamrażania produktów żywnościowych, częśd 1; TChiKl nr 2 / 2001; Betlioski Ł., Bonca Z.: Urządzenia typu LIN do kriogenicznego zamrażania produktów żywnościowych, częśd 2; TChiKl nr 3 / 2001; Chorowski M., Konopka Cupiał G., Piotrowska A.: Kriogenika w przemyśle spożywczym; Technologie kriogeniczne wykład; Chorowski M., Konopka G.: Kriogenika w przemyśle spożywczym; Chłodnictwo i klimatyzacja nr 3 / 2003; Postolski J.: Mrożona żywnośd wygodna, częśd 6 Przemysłowe procesy technologiczne; TChiKl nr 9 / 2009; Leśniak Rykojd E. (PRAXAIR POLSKA): Nowoczesne techniki mrożenia; Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr 8/2000; Leśniak Rykojd E. (PRAXAIR POLSKA): Mrożenie kriogeniczne żywności; Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna nr 9/2000; Gazda W.: Techniki kriogenicznego chłodzenia i zamrażania; Przemysł Spożywczy nr 9/2010; Gruda Z., Postolski J.: Zamrażanie żywności; WNT 1999; Materiały reklamowe firm: AGA Gaz, Linde Gaz, PRAXAIR;