Pytanie 6.

Metody zagęszczania żywności, zasady i zastosowania.

http://ebipol.p.lodz.pl/Content/418/Procesy_technologii_zywnosci.pdf

ZAGĘSZCZANIE = KONCENTRACJA, jest to proces usuwania wody z żywności w celu jej utrwalenia oraz skoncentrowania składników suchej substancji (tejże żywności) w mniejszej masie produktu. Dzięki zagęszczeniu możemy zmniejszyć koszty transportu żywności (mniejsza masa), a także koszty magazynowania i dystrybucji. [Skrypt OTŻ, str. 109]

Zagęszczanie dzielimy na:

ZAGĘSZCZANIE
RÓWNOWAGOWE
1. następuje przemiana faz 2. maksymalny rozdział wody jest uzyskiwany w momencie osiągnięcia równowagi fazowej wszystkich składników znajdujących się w fazie zagęszczonej i zagęszczającej 3. do tego rodzaju procesów zalicza się: -odparowanie -kriokoncentracja -klatracja

[Skrypt OTŻ, str. 109]

Czyli:

Metody zagęszczania żywności to:

RÓWNOWAGOWE: odparowanie, kriokoncentracja, klat racja

NIERÓWNOWAGOWE: osmoza, odwrócona osmoza, ultrafiltracja

ODPAROWANIE:

Odparowanie, mające na celu zagęszczanie, jest jedną z ważniejszych operacji jednostkowych w przemyśle spożywczym. Pełni następujące funkcje:

- utrwala

-stosowane przed suszeniem, zamrażaniem, sterylizacją zmniejsza masę i objętość produktu, dzięki czemu obniża koszty tych operacji

-czyni żywność wygodniejszą w użyciu w gospodarstwie domowym ( tutaj: zagęszczane soki, przeciery, zupy)

-żywność wygodniejsza także dla producenta (np. koncentraty owocowe stosowane do produkcji lodów)

-zmiana zapachu/lub koloru żywności (np. karmelizowane syropy stosowane w przemyśle piekarskim i cukierniczym)

Zasada odparowania:

Odparowanie następuje w APARATURZE WYPARNEJ. Składa się ona z:

1.wymiennika dostarczającego ciepło do podgrzania produktu do temp. wrzenia,

2. oddzielacza pary i cieczy,

3. skraplacza do usuwania powstających oparów,

4. urządzenia do wytwarzania próżni, jeśli prowadzimy zagęszczanie pod obniżonym ciśnieniem

W przemyśle spożywczym stosuje się APARATY WYPARNE, w których proces prowadzi się pod OBNIZONYM CIŚNIENIEM, a ciepło niezbędne do odparowania wody dostarcza się za pośrednictwem PARY. Energia niezbędna do odparowania określonej ilości wody, zazwyczaj przekazywana jest przez KONWEKCJĘ lub PRZEWODZENIE.

URZĄDZENIA WYPARNE (klasyfikuje się je wg ich sprawności technicznej):

1. Odparowanie JEDNOSTOPNIOWE – wyparka JEDNODZIAŁOWA, a para grzejna używana jest tylko raz. Zagęszczony roztwór jest zawracany do dalszej koncentracji lub opuszcza urządzenie.

2. Odparowania WIELOSTOPNIOWE – BATERIA WYPAREK, para z jednego aparatu jest wykorzystywana jako czynnik grzejny dla następnego układu.

TYPY WYPAREK ( klasyfikacja wg sposobu transportu ciepła przez powierzchnię):

1. APARATY PRZEPONOWE RURKOWE z naturalnym lub wymuszonym przepływem cieczy. Zasadniczymi częściami są:

-pionowe rurki z wznosząca się cienką warstwą cieczy,

- pionowe rurki z opadającą warstwa cieczy,

-rurki poziome

2. OGRZEWANIE PRZEPONOWE PŁASKIE – WYPARKI PŁYTOWE

3. WYPARKI CIENKOWARSTWOWE – nieruchome, cylindryczne powierzchnie z mieszaną warstewką cieczy

4. NIERUCHOME POWIERZCHNIE STOŻKOWE

5. OBROTOWE POWIERZCHNIE STOŻKOWE

Omówienie wybranych (przez skrypt) wyparek.

I. WYPARKI Z NATURALNĄ CYRKULACJĄ

Do tej grupy zaliczamy wyparki OTWARTE, obejmujące PANWIOWE APARATY WYPARNE pracujące pod zwykłym ciśnieniem i w temp. niższej od temp. wrzenia. Są to płaskie naczynia ogrzewane bezpośrednio gorącą wodą, parą lub elektrycznością. Do wyparek otwartych zaliczamy także urządzenia do odparowania w temp. wrzenia. Przykładem są WYWRACALNE KOTŁY z płaszczem parowym i mieszadłem oraz KADZIE zaopatrzone w dolnej części w rury zasilane parą o stosunkowo wysokim ciśnieniu (0,7-1,2MPa).

Wyparki z naturalna cyrkulacją charakteryzują się:

- mała szybkość przenoszenia ciepła,

- niska wydajność,

- negatywne oddziaływanie na składniki termo labilne,

- tanie,

- łatwe w obsłudze

- można stosować do zagęszczania różnych produktów i ze zróżnicowaną szybkością

W przemyśle spożywczym częściej stosuje się wyparki próżniowe, ponieważ:

- niska temperatura odparowania, co ma korzystny wpływ na zachowanie naturalnych składników żywności,

- szybkie tempo zagęszczania, ponieważ jest większa różnica temp. między czynnikiem grzejnym (para), a ogrzewanym ( wrząca ciecz)

Do najprostszych zalicza się wyparki o krótkich rurach (1,5m). Są to zestawy pionowych rur rzadziej poziomych. Rury te są zamontowane w specjalnym płaszczu –obudowie. Od góry doprowadzamy naszą ciecz którą chcemy zagęścić. Ciecz ta jest ogrzewana przez parę kondensującą na powierzchni rur. Po ogrzaniu naszej cieczy ( staje się wtedy lżejsza), wznosi się ona we wnętrzu rur, wrze i recyrkuluje (opada) przez przewód centralny (opadowy). Ta pionowa konstrukcja rur wzmaga naturalną konwekcję dzięki czemu następuje szybsze przenoszenie ciepła. Wyparki te nadają się do produktów o NISKIEJ LEPKOŚCI. Gdybyśmy wzięli produkt o wysokiej lepkości, wtedy utrudniłoby to recyrkulację oraz spowodowało przypalenie w miejscu zetknięcia się ścian rur. W dalszej konsekwencji utracilibyśmy większą część produktu, jakość tego produktu, wolniej zachodziłoby przenoszenie ciepła. Do tego dochodzą także utrudnienia w myciu urządzenia. Dlatego wyparki te stosujemy do zagęszczania SOKÓW I SYROPÓW.

W innych wyparkach, (również zestaw rur o średnicy do 5cm, umieszczonych w płaszczu parowym o wysokości 3-5cm), płyn przed wejściem do wyparki jest podgrzewany prawie do wrzenia. Wewnątrz rur kontynuowane jest ogrzewanie i rozpoczyna się wrzenie. Tworzą się opary, które powodują szybkie zagęszczenie płynu. W wyniku tego, na wewnętrznej powierzchni rur tworzy się cienki film. Otrzymany koncentrat jest oddzielany od oparów i usuwany z wyparki. W wielodziałowym aparacie, opary są przekazywane dalej lub poddawane dekompresji. W przypadku żywności o niskiej lepkości (MLEKO), wytworzona cienka warstewka cieczy unoszona jest w górę rur. Taką wyparkę nazywa się WYPARKĄ ZE WZNOSZĄCĄ SIĘ WARSTWĄ CIECZY - doprowadzenie surowca od dołu.

WYPARKA Z OPADAJĄCĄ WARSTWĄ CIECZY:

- dla żywności o większej lepkości lub wrażliwej na ogrzewanie umieszcza się zasilanie w górnej części urządzenia.

- siła ciężkości uzupełnia siłę powstającą w wyniku ekspansji pary , dzięki czemu następuje szybki przepływ ( do 200m/s przy końcu 12 – metrowej rury).

- zastosowanie: ZAGĘSZCZANIE EKSTRAKTÓW DROŻDŻOWYCH, SOKÓW OWOCOWYCH, PRZETWÓRSTWO SKROBII.

Obie wyparki ( ze wzn. i opad. warstwą cieczy) charakteryzuje:

- krótki czas przebywania płynu

- wysoki współczynnik przenoszenia ciepła

- niskie zużycie energii ( 0,3 – 0,4 kg pary/kg odparowanej wody w syst. wielodziałowym)

Niektóre typy wyparek maja dodatkowo zewnętrzną rurową komorę grzejną. Jest ona połączona z separatorem oparów i rurą cyrkulacyjną. Taka budowa umożliwia recyrkulację produktu wywołaną różnicą ciśnień hydrostatycznych słupów podnoszącej się mieszaniny parowo-ciekłej i opadającej masy w separatorze. Ten typ wyparek stosowany jest do KONCENTRACJI PRZECIERÓW POMIDOWORYCH.

WYPARKI PŁYTOWE ( to też do wyparek z naturalną cyrkulacją)

Urządzenie składa się z kilku płyt (sekcji), w których na zmianę mamy unoszenie i opadanie warstewki płynu zagęszczanego. Zaś pomiędzy płytami przepływa para jako czynnik grzewczy. Produkt doprowadzamy od dołu (ale nie byle której płyty tylko płyty z opadającą warstewką cieczy). Po doprowadzeniu produktu następuje wrzenie i zagęszczanie. Może być różna liczba sekcji ( płyt), w zależności od tego jaką chcemy uzyskać wydajność i wymagany stopień zagęszczenia. Z końcowej płyty wychodzi nam mieszanina oparów i koncentratu, wiec na końcu dochodzi do rozdzielenia ich ( to już na zewnątrz wyparki). Opary mogą być zastosowane ponownie. Takie wyparki są drogie, ale szybkość przenoszenia ciepła jest duża, czas przebywania cieczy krótki, a oszczędność energii znaczna. Te wyparki stosujemy do cieczy o wyższej lepkości: EKSTRAKTY DROŻDŻOWE I MIĘSNE ORZA PRODUKTY MLECZNE.

WYPARKA EKSPANSYJNA

Pracuje podobnie jak wyparka płytowa, ale zamiast płyt mamy odwrócone stożki, ułożone jeden na drugim. Surowiec doprowadzamy od góry do przewodu centralnego. Wpływa on do drugiej przestrzeni stożkowej. Powierzchnia lustra parującej cieczy zwiększa się w miarę unoszenia cieczy ku górze, stąd nazwa wyparka ekspansyjna. Mieszanina oparów i koncentratu opuszcza stożki przy ich podstawach i jest ona rozdzielana w specjalnej konstrukcji działającej na zasadzie cyklonu. Para grzejna wprowadzana jest od dołu do co drugiej przestrzeni między stożkami. Zalety: zwarta budowa, krótki czas przebywania cieczy, wysoka elastyczność dzięki zmiennej liczbie stożków.

II.WYPARKI Z WYMUSZONĄ CYRKULACJĄ:

Wymuszona cyrkulacja- ponieważ pompa lub skrobak wymuszają ruch płynu zwykle w cienkiej warstwie. Dlatego też utrzymana jest duża szybkość przenoszenia ciepła i krótki czas przebywania zagęszczanego produktu. Wyparki te mają bardziej zwartą budowę i większą wydajność, ale wyższe koszty kapitałowe i operacyjne.

Do wyparek z wymuszoną cyrkulacją zaliczamy:

WYPARKA CIENKOWARSTWOWA

W tej wyparce mamy wirnik z łopatkami, który działa na zasadzie wycieraczek lub skrobaka. Dzięki niemu ciecz jest rozprowadzana na wewnętrznej powierzchni korpusu ogrzewanego płaszczem parowym. Działanie: ciecz doprowadzana jest pomiędzy wirnik a ogrzewaną powierzchnię. Następuje szybkie odparowanie. Łopatki utrzymują ciecz w ciągłym ruchu, dzięki czemu intensyfikują przenoszenie ciepła i chronią produkt przed przypaleniem na gorącej powierzchni. Możemy uzyskać różną grubość warstewki od 0,25 do 1,25 mm. Czas przebywania cieczy jest krótki: 0,5 do 100s. Wyparka ta jest polecana do zagęszczania produktów o wysokiej lepkości, wrażliwych na temp. oraz takie które łatwo się pienią i zanieczyszczają tym samym powierzchnię: PULPY I SOKI OWOCOWE, PASTA POMIDOROWA, EKSTRAKTY MIĘSNE, MIÓD, MASA KAKAOWA. Niestety są wysokie koszty inwestycyjne, bo precyzyjnie trzeba ustawić wirnik w stosunku do ściany. Koszty operacyjne też są wysokie, gdyż urządzenie pracuje jednodziałowo, przez co nie można odzyskać ciepła. DLATEGO NA OGÓŁ STOSUJE SIĘ JE DO KONCOWEGO ZAGĘSZCZANIA PRODUKTÓW O WYSOKIEJ LEPKOŚCI PO WCZEŚNIEJSZYM ZAGĘSZCANIU W INNYM URZĄDZENIU.

WYPARKA ODŚRODKOWA Centri-Therm

Wyglądem przypomina wyparkę ekspansyjną, jednakże w wyparce C-T, mamy stozki obrotowe o podwójnych ściankach. Produkt doprowadzany do centralnego przewodu, spływa w dół, a następnie wtryskiwany pod obracające się stożki i natychmiast rozprowadzany w postaci filmu o grubości 0,1mm. Para kondensuje wewnątrz każdego stożka, a ciepło jest bardzo szybko przenoszone przez cienką warstwę do odparowującej cieczy. W przeciwieństwie do wyparki ekspansyjnej, w której ciecz porusza się dzięki ciśnieniu oparów, w C-T rozprowadzana jest ona po powierzchni siłą odśrodkową. Czas przebywania cieczy: 0,6-1,6 s. Zastosowanie: SOKI CYTRUSOWE, EKSTRAKTY KAWY I HERBATY, EKSTRAKTY MIĘSNE I FARMACEUTYKI.

REASUMUJĄC:

Zagęszczanie poprzez KRIOKONCENTRACJĘ:

- usunięcie wody przez wymrożenie (80kcal/kg) – korzystniejsze energetycznie, bo przy wyparkach mamy: 539kcal/kg

-łagodniejsze warunki – zachowanie właściwości smakowo zapachowych i wartości odżywczych

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

Urządzeniami do kriokoncentracji są:

-krystalizator (zwykle osiąga się rozmiary kryształów do 0,5mm) oraz separator, czyli wirówki (do 1000g, aby zminimalizować straty – przepłukiwanie kryształków) lub filtry

Dodatkowymi problemami są: wytrącanie się substancji innych niż lód, obniżenie temp., co powoduje precypitację polimerów, garbników np., z ekstraktów kawy i herbaty, wytrącenie się laktozy z mleka. (precypitacja – wytrącenie osadów)

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

Głównymi ograniczeniami kriokoncentracji są:

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

- czasem trudne jest oddzielenie kryształków od lepkiej cieczy, dlatego pożądane jest tworzenie dużych kryształków

- duże koszty inwestycyjne urządzeń.

PRODUKT

SUROWIEC

Schemat kriokoncentracji

To co miałam w wykładach z otż: lód kieruje się do topienia, zimna woda słuzy do przemywania kryształków, a reszta do prekulera jako element chłodzący. Nie mamy takich wad, że utracimy składniki lotne lub substancje odżywcze na skutek wysokich temperatur. Zatężanie piwa, wina, soku, octu.

DIAGRAM FAZOWY EUTEKTYCZNEGO UKŁADU PROSTEGO:

Opis: Temperaturę mieszaniny T_A obniżamy do temp. 0°C, z roztworem soli nic się nie dzieje dopiero w temp. T_A’ – temperaturze krioskopowej powstają pierwsze kryształki lodu. W fazie niewymrożonej rośnie stężenie soli, temp. się nie obniża. Po pewnym czasie w produkcie jest więcej soli i kryształków. W temp. eutektycznej zestala się cała mieszanina w jedną całość. Podczas zamrażania to co przechodzi do kryształków to czysta woda.

Klatracja:

Odwrócona osmoza – zwana także hiperfiltracją

Ultrafiltracja (UF) i odwrócona osmoza (RO) to metody membranowe.

Podczas UF i RO na mambranach następuje rozdział składników cieczy poddawanej działaniu ciśnienia. Membrany do UF mają pory większe niż RO – tutaj też używane jest największe cisnienie. Roztwór przepływa pod ciśnieniem nad odpowiednią membraną w kierunku równoległym do jej powierzchni. Otrzymujemy przesącz i koncentrat. Ultrafiltracja umożliwia odseparowanie substancji o masach cząsteczkowych z przedziału od 500 do 300000Da. W produktach spożywczych jest to najczęściej białka, polipeptydy, sacharydy, polisacharydy oraz niektóre koloidy. Z uwagi na rozmiary porów 0,001-0,1μm stosowane ciśnienia wynosza; od około 70 do 2000kPa. Transport przesączu przez membrany odbywa się na zasadzie przepływu hydraulicznego. Jego szybkość zależy od zastosowanego ciśnienia, powierzchni membrany oraz stężenia i składu rozdzielanego roztworu, lepkości, temperatury i szybkości cyrkulacji.

Odwrócona osmoza wykorzystywana jest do oddzielenia od wody niskocząsteczkowych substancji: sole , cukry, kawsy organiczne. Należy jednak zauważyć, że pewne drobnocząsteczkowe nieelektrolity: monohydroksyalkohole do alkoholu propylowego łącznie, aldehydy, kwasy do n-masłowegi oraz mocznik, przechodzą przez niektóre typy membran do odwróconej osmozy bez większych oporów, jednak już glicerol, sacharoza, glukoza czy sorbitol są zatrzymywane. Transport przez membrany odbywa się na zasadzie dyfuzji, a nie przepływu. (Przepływ w UF). Jego intensywność zależy od szybkości dyfuzji w materiale membrany i od różnicy między zastosowanym ciśnieniem operacyjnym a ciśnieniem osmotycznym roztworu. Ze względu na bardzo małe pory w membranach oraz znaczne ciśnienia osmotyczne rozdzielanych roztworów, często przekraczające 7MPa, cisnienia operacyjne procesu odwróconej osmozy są b. wysoki: od 700 do 14000kPa. Aby je osiągnać trzeba użyć wielostopniowych pomp wirowych.

Instalacja do UF i RO składa się z :

- modułu membranowego

- pompa

- zbiornik retencyjny

- wymiennik ciepła

- miernik temperatury, ciśnienia i przepływu

- automatyka współpracująca z urządzeniami pomiarowymi lub sterowniki ręczne

- połączenia rurowe i ewentualnie filtry wstępne i systemy umożliwiające regenerację membran

Do UF można stosować elementy z tworzyw sztucznych, do RO elementy metalowe.

Zalety UF i RO:

- usuwanie wody w temp. otoczenia, co pozwala uniknąć termicznej i oksydatywnej degradacji produktu

- nie zachodzi przemiana fazowa, co zmniejsza wydatki na energię

- urządzenia membranowe można montować w dowolnym miejscu

- nie trzeba używać kondensatorów pary i nie zużywa się znacznych ilości wody chłodzącej

- w UF jednocześnie z odwadnianiem zachodzi usuwanie subst. Niskocząsteczkowych: soki, kwasów i zasad. Ich stężenie w koncentracie pozostaje w związku z tym na tym samym poziomie w trakcie całego procesu. Sprawia to że siła jonowa i pH nie zmienia się, dzięki czemu ich zmiany nie prowadza do denaturacji białek i precypitacji składników.

UF stosuje si do oddzielenia białek serwatkowych od laktozy i soli. Uzyskany z koncentrat białek serwatkowych suszy się otrzymując dodatek do lodów, koncentratów spożywczych lub odżywek. Przesącz zawierający laktozę i sole mineralne pozbawia się znacznej ilości wody za pomocą RO. Stanowi to dodatek do pasz lub surowiec do przemysłu fermentacyjnego, cukierniczego i farmaceutycznego. RO ma zastosowanie do częściowego usuwania alkoholu z piwa.