Wykład 19.05.05.

(c. d. do termicznego utrwalania żywności)

Celowe jest więc prowadzenie ogrzewania krótszego, a w wyższej temperaturze, niż długiego w niższej. zasada HTST, UHT

Warunek stosowania - homogenność produktu (do 3 mm), obecnie znane są metody HTST Do całych puszek (temperatury do 131 ^oC).

Np. inaktywacja peroksydazy z = 49 K

straty chlorofilu a z = 51,3 K

straty chlorofilu b z = 98,3 K

bakterie z = 10 K

Peroksydaza - duża ciepłoodporność - wskaźnik zniszczenia wszystkich innych enzymów

Procesy HTST - szybkie, możliwe więc niedostateczne nasilenie przemian prowadzących do powstania pożądanych składników aktywnych sensorycznie (np. w przypadku wołowiny - tabela).

ASEPTYCZNY WYRÓB KONSERW (ASEPTIC PACKAGING)

Pierwsze prace - 1917 r.

1965 przemysłowe zastosowanie w USA do cieczy

1971 zastosowanie do wyrobów o cząstkach stałych

Proces produkcji aseptycznej, tzn. błyskawiczna sterylizacja i aseptyczne pakowanie - fasteryzacja.

Uperyzacja - błyskawiczne ogrzewanie wtryskiem żywej pary do produktu.

Sterylizacja przed pakowaniem aseptycznym - produkty ciekłe:

1. wymienniki rurowe i płytowe

2. wtrysk żywej pary, wtrysk produktu do pary (tzw. para konsumpcyjna) w połączeniu z systemem flash cooling (podciśnienie), podczas którego produkt traci taką ilość wody, jaka została wprowadzona z parą

3. skrobakowe wymienniki ciepła - szybkie grzanie i chłodzenie produktów ciastowatych i mających cząstki stałe.

Przygotowanie opakowań:

puszki + para wodna przegrzana 221 - 224 ^oC (45 sek.)

słoje szklane + para wodna wilgotna 153 ^oC (1,5 - 2 sek.)

pojemniki formowane - system form-fill-seal - po uformowaniu są już sterylne

pojemniki Tetra-Pak, Tetra-Brick, wykonywane z taśmy laminowanej, poddawanej

działaniu H₂O₂ w 80 ^oC i dalsze formowanie w temp. 350 ^oC + nadciśnienie

Napełnianie i zamykanie opakowań warunki sterylne, kontrola temperatury w 17 punktach krytycznych (HACCP)

Uwagi: jedynie fasteryzacja do dużych puszek, np. 55 galonów (208 l)

(purée bananowe)

Między sterylizacją a pakowaniem możliwość wprowadzenia labilnych dodatków (np. smakowych), możliwość różnych operacji (np. homogenizacja). Jest tu całkowita eliminacja oddziaływań: produkt - puszka podczas sterylizacji.

Brak zagrożeń bombaży technicznych.

Najczęstsze zastosowanie aseptycznego pakowania:

mleko i jego przetwory (śmietanka, koktajle, desery)

puddingi, sosy itp. na bazie skrobi

soki, purée, koncentraty owocowe i warzywne, zupy, sosy, gotowe potrawy typu gulasz.

Ogólna trwałość: 3 - 12 miesięcy.

Sterylizacja dwustopniowa:

1. sterylizacja wstępna - przed pakowaniem, najczęściej przepływie 135 - 141 ^oC

2. rozlew i zamykanie opakowań

3. sterylizacja końcowa produktu zapakowanego (typowe autoklawy, ale temperatura niższa lub czas krótszy)

Tyndalizacja - wyjaławianie przez 3-krotne ogrzewanie (65 - 85 ^oC) przez 30 minut, co 24 godziny pobudzenie spor do kiełkowania, przydatne tam, gdzie są składniki termolabilne, nie wytrzymujące więcej, niż 100 ^oC.

ZAGĘSZCZANIE

Metody zagęszczania:

• przez odparowanie

• kriokoncentracja

• metody membranowe (na egzamin - ze skryptu do ćwiczeń!!)

ZAGĘSZCZANIE PRZEZ ODPAROWANIE

• usuwanie wody z ciekłej żywności, produkt finalny dalej płynny

• z reguły stabilność mikrobiologiczna, zmniejszenie objętość tańszy transport i składowanie

• typowy przykład produkcja masy pomidorowej (35 - 37 % s.m.) z soku 5 - 6 % s.m.

Wyparka przeponowy wymiennik ciepła, zamknięty w dużej komorze. Para wodna ogrzewa produkt, będący pod próżnią (wrzenie w obniżonej temperaturze - mniejsze straty), opary kondensowane w skraplaczu.

Całe urządzenie wyparne składa się więc z wyparki, skraplacza (główne źródło podciśnienia) i pompy próżniowej (wspomaga wytwarzanie podciśnienia)

Wyparki jednostopniowe bez wykorzystania ciepła oparów.

Wyparki dwu- i wielostopniowe (działowe) wykorzystanie ciepła oparów do ogrzewania następnego działu wyparki - znaczne oszczędności energii, np.:

Aby odparować 1 kg H₂O:

• przy 1-działowej trzeba użyć - 1,2 kg pary wodnej

• przy 2-działowej - 0,7 kg pary wodnej

• przy 3-działowej - 0,5 kg pary wodnej

• przy 4-działowej - 0,4 kg pary wodnej

Produkt zagęszczony na pierwszym dziale wchodzi jako wsad do działu następnego.

Wyparki wielodziałowe mogą pracować w układzie:

1. współprądowym (oparu i ciecz zagęszczana - ten sam kierunek)

2. przeciwprądowym

3. równoległym

W miarę usuwania wody:

Stężenie rośnie, przewodnictwo cieplne (heat transfer) maleje, temperatura wrzenia rośnie T między medium a zagęszczanym produktem maleje maleje szybkość procesu (niekorzystne - bo termolabilność składników)

Zapobiega się temu poprzez coraz większą redukcję ciśnienia w każdym dziale, a więc i temperatura wrzenia rośnie, pomimo, że produkt jest coraz bardziej gęsty.

Uwaga: pod zmniejszonym ciśnieniem usuwana para ma większą objętość konieczne odprowadzenie dużych objętości par - w 100 ^oC 1 kg pary wodnej => 1,6 m³ ; w 50 ^oC (93 mm Hg) => 12 m³

Uwaga: Wzór Fouriera: Q = K · F · r · T

Porównanie odparowywania pod normalnym i zmniejszonym ciśnieniem:

przy T_{pary grzanej} = const. : pod zmniejszonym ciśnieniem T większa (bo ciecz wrze w niższej temperaturze, a zatem szybsze przekazywanie ciepła (heat transfer)

Problemy :

• osady na powierzchni (białka, polisacharydy), czyszczenie - przerwy w pracy wyparek.

• pienienie - porywanie produktu do oparów (antifoam agents)

• stężenie rośnie lepkość rośnie - gorszy transport, pompowanie

• utrata flavour takie konstruowanie wyparek, aby straty te zminimalizować lub wyłapać lotne składniki zapachowe z oparów

Wydajność wyparek zależy od:

1. powierzchni grzejnej

2. powierzchni odparowania

3. prędkości przepływu i turbulencji zagęszczanej cieczy

4. tzw. efektywnej powierzchni parowania

5. stosunku ciśnień w komorze wyparnej i skraplaczu

6. średniej T pomiędzy czynnikiem grzejnym i cieczą zagęszczaną

7. grubości warstwy cieczy

8. liczby działów wyparki.

Typy wyparek:

1. Otwarte (pod ciśnieniem atmosferycznym)
   aparaty wyparne
   - okresowego działania, ogrzewane płaszczem parowym
   - temp. = 100 ^oC i większa nie przeszkadza

2. Zamknięte jw. + podłączona do skraplacza i próżni, temp. < 100 ^oC, mała powierzchnia wymiany ciepła i zwykle konwekcja naturalna - proces długotrwały

3. Z naturalną cyrkulacją (układ standardowy) - Roberta

• ciągłego działania

• roztwór odparowywany wrze w pionowych rurach o średnicy 5 - 10 cm, długości L: 1 - 2 m, ogrzewanych parą grzejną

• występuje naturalna cyrkulacja roztworu w rurach w górę, opadanie środkiem lub bokiem w dół

• szybkość cyrkulacji 0,3 - 1 m/s

• całość podłączona do próżni

• zastosowanie - do produktów o małej lepkości i odpornych na wysokie temperatury

4. Wyparka z wznoszącym się filmem cieczy (rising film evaporator)

• ciągłe działanie

• ciecz o niskiej lepkości wrze w rurach o średnicy 2,5 - 5 cm, L: 10 - 15 m, opary siła wznosząca cienkie warstwy w górę

• wymagane T między czynnikiem grzewczym, a produktem - min. 14 ^oC

• dobra wymiana ciepła

• cyrkulacja aż do uzyskania pożądanej konsystencji

• właściwy dobór parametrów operacyjnych - zapobiega pienieniu

• główne problemy - tworzenie baniek, tworzenie osadów wewnątrz rurek

• typowy czas przebywania 3 - 4 min

5. Wyparka z opadającym filmem cieczy (falling film evaporator)

• ciągłe działanie

• cienki film spływa we wnętrzu rurek na dół

• nadaje się lepiej do bardziej lepkich cieczy i heat sensitive

• typowy czas przepływu 20 - 30 sek.

Wyparka wznosząco - opadowa (rising - falling film evaporator) - połączenie dwóch poprzednich wyparek w jedną

Wyparka z obiegiem wymuszonym

• wymuszona cyrkulacja zagęszczonego produktu (2 - 6 m/s)

• w rurkach wymiennika ciepła nie następuje wrzenie (zapobiega temu hydrostatyczna głowica), dopiero w separatorze par na skutak obniżonego ciśnienia gwałtowne odparowywanie

• zalety: do lepkich cieczy; do termolabilnych cieczy; względnie niskie koszty inwestycyjne i operacyjne

• Wyparka cienkowarstwowa z agitacją (agitated thin-film evaporator)

• do bardzo lepkich cieczy i labilnych termicznie (residence time 10 - 15 sek.)

• ciecz rozprowadzana po wewnętrznej stronie cylindrycznej powierzchni grzejnej specjalnym rotorem, zapewniającym turbulentny ruch (clearance 0 - 1 mm)

• na skutek szybkiej wymiany (odnawianie powierzchni) dure heat transfer

• wady duży koszt inwestycyjny i operacyjny i mała przepustowość.

Wyparki mogą pracować nie tylko tak, jak omówione powyżej w konfiguracji rurowej, ale i także płytowej. Produkuje się nawet wyparki o wydajności do 100 m³ H₂O/h.

Zastosowanie wyparek w technologii żywności:

• cukrownictwo - zagęszczanie soku dyfuzyjnego

• przemysł owocowo-warzywny - wyrób marmolad, dżemów, koncentratów pomidorowych, koncentratów soków owocowych

• mleczarstwo - zagęszczanie mleka (mleko skondensowane i przed suszeniem)

• cukiernictwo - produkcja masy karmelowej

• przemysł ziemniaczany - produkcja syropów ziemniaczanych (dekstryna, maltoza, glukoza 15 - 20 % H₂O)

Zagęszczanie przez odparowanie 2 ograniczenia:

1. utrata substancji lotnych

2. cieplne uszkodzenia produktów

KRIOKONCENTRACJA

• brak powyższych wad

• usunięcie wody przez wymrożenie (80 kcal/kg) jest korzystniejsze energetycznie, niż przez odparowywanie (539 kcal/kg)

• łagodniejsze warunki - zachowanie właściwości smakowo-zapachowych i wartości odżywczych

• wymrożenie części wody z produktów - zagęszczenie substancji ciekłej - diagram fazowy układu eutektycznego prostego.

Urządzenia do kriokoncentracji:

Główne elementy:

• krystalizator (zwykle osiąga się rozmiary kryształów do 0,5 mm)

• separator:

• wirówki - do 1000 g, aby zminimalizować straty - przepłukiwanie kryształów

• filtry

Problemy dodatkowe wytrącanie się substancji innych niż lód, obniżenie temperatury precypitacja polimerów, garbników, np. z ekstraktów kawy i herbaty; wytrącanie się laktozy z mleka.

Zastosowanie kriokoncentracji:

• zatężanie wina do osiągnięcia określonego poziomu EtOH przez usunięcie wody

• zatężanie piwa

• zatężanie soków owocowych, ekstraktów herbaty i kawy oraz mleka odtłuszczonego

• zatężanie octu

Główne ograniczenia kriokoncentracji:

• największe stężenie - opisane punktem eutektycznym; w praktyce nie prowadzi się kriokoncentracji do punktu eutektycznego, bo rośnie lepkość fazy ciekłej (rośnie stężenie i maleje temp.); zwykle wyjściowe stężenie - 5 - 20%, a po kriokoncentracji 35 - 50 s.m.

• czasem trudne oddzielenie kryształów od lepkiej cieczy, dlatego pożądane tworzenie dużych kryształów

• duże koszty inwestycyjne urządzeń.

---