Kriogenika%20w%20przemysle%20spozywczym.pdf

Technologie kriogeniczne – wykład

prof. Maciej Chorowski

mgr inż. Gabriela Konopka – Cupiał

mgr inż. Agnieszka Piotrowska

KRIOGENIKA W PRZEMYŚLE SPOŻYWCZYM

Rosnące w ostatnich latach zainteresowanie możliwościami wykorzystywania

kriocieczy znalazło swoje odzwierciedlenie także w przemyśle spożywczym. Z dużej ilości

dostępnych na rynku kriocieczy, które teoretycznie można by używać do zamrażania

żywności, praktyczne zastosowanie znalazły tylko dwie: ciekły azot i dwutlenek węgla. Inne

nie są stosowane ze względu na problemy bezpieczeństwa pracy, szkodliwe działanie na

produkty oraz wysoką cenę.

LN 2 i CO 2 wykorzystuje się w dwojaki sposób.

Pierwszy: są one źródłem bardzo niskiej temperatury – ich normalne temperatury wrzenia

wynoszą N 2 – 77.8 K oraz CO 2 – 194.35 K. Duża różnica temperatur między kriogenem a

substancją chłodzoną / zamrażaną jest siłą napędową intensywnego procesu wymiany ciepła.

Drugi: wykorzystuje się własności, jakie posiadają w fazie gazowej.

Przykłady zastosowania czynników kriogenicznych:

Produkty

Pakowanie Przechowywanie Mieszanie

Spienianie

Utwardzanie

/ sterylizacja

Mielenie na

zimno/

zobojętnianie

Chleb, wyroby

piekarnicze

N 2 CO 2 N 2 CO 2

Produkty

mleczne

N 2 CO 2

N 2

N 2 CO 2 N 2 O

Warzywa,

owoce

N 2

Kawa, herbata,

tytoń

N 2 CO 2 N 2

CO 2

Produkty

mięsne,

kiełbasa,

szynka

N 2

Napoje

alkoholowe

N 2 CO 2 N 2

CO 2

N 2

CO 2

Tłuszcze, oleje

(margaryna,

majonez)

N 2

H 2

Przyprawy,

ocet, drożdże

N 2

CO 2

Cukier,

słodycze,

czekolada

N 2

Czynniki kriogeniczne wykorzystuje się w technologiach:

zamrażania produktów

pakowania i przechowywania produktów (atmosfera kontrolowana)

rozlewania napojów

stabilizacji ciśnienia w pojemnikach (puszkach i butelkach) cienkościennych

przechowywania owoców.

1. Zamrażanie produktów spożywczych

1.1 Proces zamrażania.

Szybkie obniżanie temperatury nietrwałych surowców żywnościowych bezpośrednio po

ich pozyskaniu jest zwykle niezbędnym warunkiem zachowania ich wyjściowych cech

jakościowych. Konieczność utrwalenia surowców wynika głównie z ich sezonowości,

potrzeby zagospodarowania nadwyżek oraz wahań podaży. Przyjmuje się, że obniżenie

temperatury o 10 K powoduje 2 – 3 krotne zwolnienie tempa przemian metabolicznych w

produkcie oraz ogranicza w znacznym stopniu rozwój bakterii. Tak, więc schładzanie i

mrożenie produktów spożywczych stosuje się powszechnie dla zabezpieczenia przed

zepsuciem zarówno produktów gotowych do spożycia jak i surowców przeznaczonych do

dalszej obróbki technologicznej.

Reasumując, obniżanie temperatury produktu spożywczego spowoduje:

1. Zwolnienie tempa przemian metabolicznych.

2. Ograniczenie rozwoju drobnoustrojów (bakterii, drożdży itp.)

3. Powstaniekryształów lodu w tkankach (zamarzanie soku komórkowego).

4. Przedłużenie trwałości i przydatności do spożycia.

Zamrażaniem produktów żywnościowych nazywamy proces technologiczny pełnej lub

częściowej zamiany wody w lód przez odprowadzenie ciepła, przy obniżaniu temperatury

poniżej punktu krioskopowego. W czasie zamrażania obserwujemy w związku z wymianą

ciepła zjawiska wtórne, polegające na przemieszczaniu się wody zawartej w produkcie w

kierunku niższej temperatury, tzn. w kierunku powierzchni ciała. Zjawisko to jest o tyle

zrozumiałe, że w środowisku ciekłym każda różnica ciśnień, temperatur lub stężeń powoduje

naturalny ruch cząsteczek w kierunku ich wyrównania. Ten ruch cząsteczek wody jest

zjawiskiem, które decyduje o niekorzystnych zmianach w produkcie po zamrożeniu.

Podczas powolnego zamrażania roztworów wodnych w ich warstwach zewnętrznych

tworzy się czysty lód, natomiast substancje rozpuszczone przechodzą jakby w głąb naczynia i

w jego części środkowej powstaje lód najbogatszy w te substancje. Im prędzej przeprowadza

się zamrażanie, tym bardziej jednorodny skład ma utworzony lód.

Badania rozmieszczenia kryształów lodu w zamrożonych produktach o różnej budowie

wykazały określoną zależność między prędkością zamrażania a rozmiarami a

rozmieszczeniem kryształów lodu. Przy powolnym zamrażaniu w przestrzeniach

międzykomórkowych oraz między włóknami produktu tworzą się duże kryształy lodu w

następstwie przechodzenia do tych przestrzeni soku komórkowego. Wskutek odwodnienia

komórek następuje ścinanie się białka, a po zamrożeniu obserwuje się duże wycieki soku

komórkowego. Podczas szybkiego mrożenia liczba kryształów jest znacznie większa, a ich

rozmiary mniejsze. Kryształy mieszczą się wewnątrz komórek i nie niszczą dzięki temu

ścianek tkanki. Przy szybkim mrożeniu istnieje większa szansa odwracalności procesu

zamrażania, tzn. powrotu produktu do pierwotnego stanu.

W ostatnich latach daje się zauważyć rosnące zainteresowanie technologią zamrażania

kriogenicznego. Technologia ta jest związana z wykorzystaniem ciepła parowania oraz ciepła

przegrzania pary czynników kriogenicznych. Zamrażanie szokowe pozwala znacznie skrócić

czas procesu. Wynika to z własności czynników roboczych. Pozytywny wpływ na

intensywność wymiany ciepła pomiędzy produktem zamrażanym a kriogenem ma duża

wartość różnicy temperatur oraz znacznie większa (w porównaniu z metodami tradycyjnymi)

wartość współczynnika wymiany ciepła.

Poniższa tabela przedstawia porównanie współczynników przejmowania ciepła dla

wybranych procesów zamrażania:

Metoda zamrażania

α [W/m 2 K]

Komora gęsto załadowana, znikoma

wentylacja

3 – 4

Tunele owiewowe – słaba wentylacja

8 – 15

Tunele owiewowe – silna wentylacja

20 – 40

Zamrażanie fluidyzacyjne

130 – 180

Zamrażanie kontaktowe

500 – 1000

Zamrażanie immersyjne, ruch roztworu słaby

300 – 400

Zamrażanie immersyjne, ruch roztworu silny

500 – 700

Zamrażanie kriogeniczne – ciekły azot

1000 – 2000

Tabela przedstawia porównanie normalnych temperatur wrzenia czynników chłodniczych i

kriogenicznych:

Czynnik

Normalna temperatura

wrzenia:

R 22

- 41.1 ° C (232.05 K)

R 402 A

- 49.2 ° C (223.95 K)

R 404 A

- 46.4 ° C (226.75 K)

R 717 (NH 3 )

- 33.4 ° C (239.75 K)

Solanki (NaCl)

- 23 ° C (250.15 K)

N 2 (azot)

- 195.35 ° C (77.8 K)

CO 2 (dwutlenek węgla)

- 78.8 ° C (194.35 K)

N 2 O (podtlenek azotu)

- 89.5 ° C (183.65 K)

Zamrażając szokowo znacznie zmniejsza się efekt ususzki podczas samego procesu.

Ubytki masy przy zamrażaniu w aparatach kriogenicznych wahają się w granicach

0.43 – 0.7%, co stanowi znaczna poprawę w stosunku do metod fluidyzacyjnych (1.0 – 1.5%),

tuneli owiewowych (2 – 3%) oraz aparatów taśmowo – spiralnych (1.2%).

1.2 Obszary wykorzystania metod kriogenicznych.

Pomimo, że koszty inwestycyjne metod kriogenicznych są niskie (para wrzącego

czynnika praktycznie nie jest zawracana, co nie wymaga dużej 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, że czynnik

należy ciągle uzupełniać są wysokie. Przeciętne zużycie to 1.5 kg czynnika na 1 kg produktu,

przy czym jest ono zależne od rodzaju zamrażanego produktu oraz od czasu pracy danego

urządzenia zamrażalniczego. Należy zauważyć, że na dodatkowe zużycie gazów mają także

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

(np. maksymalne skrócenie przewodów).

Produkt

Zużycie LN 2 , kg/ kg produktu

netto

brutto

Kalafior

1.20

Fasolka szparagowa

1.19

Groszek zielony

1.01

Truskawki

1.19

1.3 – 1.8

Szparagi

1.22

Szpinak

1.20

Ryby chude 1.04

Ryby tłuste 0.86 0.80 – 1.40

Chleb, ciasta, torty 0.56 – 0.61 0.70 – 1.00

Mięso wołowe 0.97

Mięso wieprzowe (tłuste) 0.63 0.80 – 1.40

Dania gotowe (65ºC) 1.20 – 1.40 1.50 – 2.00

Zużycie LN 2 podczas zamrażania poszczególnych produktów spożywczych.

Metoda zamrażania w ciekłym azocie (LIN) i w ciekłym dwutlenku węgla (LIC)

dominuje w produkcji drobnej (do 500 t/rok). Na duża skalę metody te są stosowane przede

wszystkim w kombinacji z metodami tradycyjnymi dla usprawnienia ich pracy – tzw.

mrożenie kriomechaniczne, lub podczas szczytowych dostaw surowca, kiedy konwencjonalne

urządzenia mogą okazać się niewystarczające ze względu na swoje ograniczenia. Urządzenia

konwencjonalne często nie są w stanie przejąć całego surowca. Wymagają ponadto częstych

przerw w pracy wymuszonych koniecznością odszronienia urządzenia (przewrócenie

skuteczności mrożenia).

Kriogeniczne techniki przemysłowego zamrażania znalazły zastosowanie głównie przy

przetwarzaniu produktów delikatnych i drobnych, gdzie koszty produkcji są rekompensowane

efektami końcowymi. Aparaty kriogeniczne wykorzystuje się do utrwalania owoców,

warzyw, grzybów. W owocach jagodowych (truskawki, maliny, wiśnie) zastosowanie

szybkich metod zamrażania kriogenicznego wpływa istotnie na konsystencję, barwę i aromat

oraz ograniczenie wycieków, przy jednoczesnym zachowaniu delikatnego kształtu surowca.

Zbliżone efekty uzyskuje się podczas mrożenia warzyw (kalafiory, pomidory, brokuły).

Mrożenie grzybów w ciekłym azocie pozwala na przedłużenie terminu ich przydatności do

spożycia nawet do roku przy jednoczesnym zachowaniu intensywnego smaku i zapachu.

Metody kriogeniczne zyskały dużą popularność w przemyśle piekarniczym i cukierniczym.

Zużycie czynnika jest tu stosunkowo małe a otrzymuje się pożądane efekty jakościowe. Także

w przypadku zamrażania płynnej żywności (masa jajowa, sosy) korzystny wpływ na efekt

końcowy ma zamrażanie przy użyciu kriogenów. Zaletą stosowania LN 2 jest możliwość

mrożenia koncentratów soków w postaci kulek lub proszkowanie tłuszczów jadalnych.

Sporym zainteresowaniem kriociecze cieszą się w przetwórstwie mięsnym. Znalazły one tu

zastosowanie między innymi w procesach automatycznej regulacji temperatury procesów

kutrowania, masowania czy też rozdrabniania.

1.3 Aparaty kriogeniczne

Aparaty tunelowe

Produkt podawany jest na przesuwnej taśmie wykonanej ze stali kwasoodpornej. Urządzenie

zamrażalnicze zasilane jest poprzez system dysz, które natryskują ciekły azot bezpośrednio na

zamrażany produkt. Ciekły czynnik w zetknięciu z produktem odparowuje. Powstała para

dzieli się na dwa strumienie. Pierwszy (~ 98% N 2 ) płynie w przeciwnym kierunku do

kierunku taśmy – zasysany przez wentylator zamontowany na początku podajnika. Drugi

(~ 2% N 2 ) płynie wzdłuż taśmy do wylotu tunelu. Zapobiega on przedostaniu się powietrza do

wnętrza urządzenia.

Tunel zamrażalniczy posiada cztery strefy odpowiadające czterem etapom zamrażania

produktu:

Strefa I : wstępne schładzanie produktu w strumieniu par azotu o temperaturze -20 ÷ - 100 ºC

= strumień par zasysany przez wentylator

Strefa II : schładzanie produktu w intensywnym strumieniu par azotu o temperaturze

-100 – -190 ºC = wentylatory

Strefa III : zamrażanie produktu – bezpośredni natrysk azotu = dysze natryskujące

Strefa IV : wyrównanie temperatury = końcowa część aparatu.

Aparaty spiralne

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: