CHŁODNICTWO

• rozwój chłodnictwa uzależniony jest przede wszystkim od dostępności energii i rozwoju techniki

• stosowanie niskich temperatur jest operacją stosunkowo kosztowną, jednak:

• zamrażalnicze utrwalanie wymaga 5-krotnie mniej energii niż produkcja żywności od „zera”

• przechowywanie żywności w stanie schłodzonym jest 2,5-krotnie tasze w porównaniu
  z przechowywaniem w stanie głębokiego zamrożenia

CHŁODNICTWO = gałąź techniki zajmująca się osiąganiem i stosowaniem temperatur niższych od otoczenia, która obejmuje m.in:

• kriotechnikę

• termodynamikę chłodzenia

• maszyny chłodnicze

• kriobiologię

• chłodnictwo medyczne

• chłodnictwo żywności

CELE:

• oziębienie produktów (uzyskanie temperatur niższych od otoczenia)

• utrzymywanie obniżonej temperatury w produktach

ZADANIA TECHNOLOGII CHŁODNICZEJ:

1. badanie składu i cech produktów oraz występujących w nich zmian, w celu określenia najbardziej efektywnego sposobu regulowania tymi przemianami poprzez obniżenie temperatury

2. opracowanie optymalnych parametrów zabezpieczenia chłodniczego, które są indywidualne
   dla każdego produktu, biorąc pod uwagę typowe przemiany jakim podlega

3. tworzenie technicznych środków realizacji opracowanych procesów zabezpieczenia chłodniczego

PRAKTYCZNE ZNACZENIE TECHNOLOGII CHŁODNICZEJ:

• umożliwia dostosowanie podaży do popytu

• ogranicza wahania związane z sezonowością produkcji

• umożliwia kierowanie na rynek świeżych owoców i warzyw w okresie zimowo-wiosennym

• umożliwia transport łatwo psujących się produktów spożywczych na dalekie odległości

• umożliwia lepszą organizację pracy sezonowej

• pozwala na ograniczenie strat żywności

• umożliwia prawidłowy przebieg określonych etapów procesu technologicznego

• umożliwia przedłużenie trwałości żywności

• pozwala na wprowadzenie do handlu nowego asortymentu żywności

Obniżanie temperatury żywności może być stosowane w 2 przypadkach:

• w procesach produkcyjnych

• w produktach gotowych, w celu przedłużenia ich trwałości

SPOSOBY OZIĘBIANIA PRODUKTÓW = odprowadzenie energii

• na sposób ciepła (odbieranie ciepła)

• na sposób pracy (rozprężanie gazów)

• aby utrzymać stałą niską temperaturę w produktach, należy stale odprowadzać od nich taką ilość energii, która najczęściej na sposób ciepła przenika do nich z otoczenia

PODSTAWOWE SPOSOBY ZABEZPIECZANIA CHŁODNICZEGO

chłodzenie = obniżanie temp. produktów spożywczych niezwiązane z powstawaniem lodu

zamrażanie = obniżanie temp. produktów spożywczych, któremu towarzyszy powstawanie lodu, powodujące uszkodzenia, których nie można całkowicie usunąć

podmrażanie → superchilling = obniżenie temp. do -2 lub -3°C, któremu towarzyszy częściowa krystalizacja wody

liofilizacja → freeze-drying = zamrażanie + suszenie

dehydro-freezing = suszenie + zamrażanie

CECHA	CHŁODZENIE	ZAMRAŻANIE
okres trwałości	kilka – kilkanaście dni	kilka-kilkanaście miesięcy
zakres temperatur	> pkt. zamrażania	< pkt. zamrażania
charakter procesu	odwracalny	nieodwracalny
ekonomika	chłodzenie jest 2,5x tańsze od zamrażania
czynnik utrwalający	obniżenie temperatury	obniżenie temperatury i aw

WPŁYW NISKICH TEMP. NA PRZEBIEG REAKCJI CHEMICZNYCH

• w niskich temperaturach zmniejsza się szybkość reakcji chemicznych, na skutek spowolnienia ruchu cząsteczek

• szybkość reakcji A+B → C+D jest proporcjonalna do częstotliwości zderzeń pomiędzy cząsteczkami A i B przypadających na jednostkę czasu, która z kolei jest proporcjonalna do ich stężenia

• szybkość reakcji zachodzącej w prawo jest proporcjonalna do iloczynu stężeń substratów
  A i B – analogicznie jest w przypadku reakcji zachodzącej w lewo:

V₁ = k₁·C_A·C_B

V₂ = k₂·C_C·C_D

szybkość całkowita reakcji V wynosi:

V = V₁ – V₂ = k₁·C_A·C_B - k₂·C_C·C_D

po pewnym czasie dochodzi do osiągnięcia stanu równowagi:

V = V₁ – V₂ = 0

k₁·C_A·C_B = k₂·C_C·C_D

STAŁA RÓWNOWAGI REAKCJI

• stała równowagi reakcji zależy tylko od temperatury – w danej temperaturze może ulec ona zmianie jedynie zmniejszając ciśnienie całkowite układu lub proporcje składników

$\frac{\mathbf{C}_{\mathbf{C}}\mathbf{\bullet}\mathbf{C}_{\mathbf{D}}}{\mathbf{C}_{\mathbf{A}}\mathbf{\bullet}\mathbf{C}_{\mathbf{B}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{k}_{\mathbf{1}}}{\mathbf{k}_{\mathbf{2}}}\mathbf{=}\mathbf{K}_{\mathbf{C}}$

$\mathbf{K}_{\mathbf{C}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\lbrack C\rbrack}^{\mathbf{d}}\mathbf{\bullet}\mathbf{\lbrack D\rbrack}^{\mathbf{d}}}{\mathbf{\lbrack A\rbrack}^{\mathbf{a}}\mathbf{\bullet}\mathbf{\lbrack B\rbrack}^{\mathbf{b}}}$

RÓWNANIE IZOBARY VAN’T HOFFA

• opisuje zależność stałej równowagi reakcji od temperatury

$\mathbf{\text{ln\ K}}_{\mathbf{C}}\mathbf{= A}\mathbf{-}\frac{\mathbf{Q}}{\mathbf{\text{RT}}}$

• ciepło oddane przez układ w procesie egzotermicznym przyjmuje się jako ujemne, a ciepło pobrane przez układ w procesie endotermicznym jako dodatnie

Q (+) = reakcja endotermiczna

T↑ i K_C↑ - reakcja przesuwa się w stronę produktów

T↓ i K_C↓ - reakcja przesuwa się w stronę substratów

Q (+) = reakcja egzotermiczna

T↑ i K_C↓ - reakcja przesuwa się w stronę substratów

T↓ i K_C↑ - reakcja przesuwa się w stronę produktów

• reakcje chemiczne mogą zachodzić tylko pomiędzy zderzającymi się cząsteczkami, które posiadają odpowiedni zasób energii - energia aktywacji, która jest uzyskiwana przez:

• pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego

• ogrzewanie

PRAWO ARRHENIUSA

• określa zależność stałej szybkości reakcji od temperatury

$\mathbf{ln\ k = B}\mathbf{-}\frac{\mathbf{A}}{\mathbf{T}}$

• wynika z niej, że:

gdy T↑ to k↑

gdy T↓ to k↓

KATALIZATORY

• przyspieszają reakcję, a po jej zakończeniu pozostają niezmienione

• nie mają wpływu na położenie równowagi reakcji K_C, ale zwiększają szybkość jej osiągnięcia

• przyspieszają reakcje zachodzące w prawo oraz w lewo

• działają na zasadzie obniżania energii aktywacji

• szybkość reakcji A+B → C+D jest proporcjonalna do częstotliwości zderzeń pomiędzy cząsteczkami A i B przypadających na jednostkę czasu, która z kolei jest proporcjonalna do ich stężenia

RODZAJE KATALIZY

kataliza homogeniczna = zachodzi w jednorodnych układach gazowych lub ciekłych,
co oznacza, że zarówno katalizator, jak i substraty oraz produkty reakcji pozostają w tym samym stanie skupienia

kataliza heterogeniczna = polega na działaniu stałego katalizatora w środowisku ciekłym lub gazowym

• mechanizm katalizy w obu przypadkach jest identyczny i polega na rozbiciu reakcji na krótsze etapy – w ten sposób zostaje niejako „podzielona” energia aktywacji potrzebna do rozpoczęcia każdego z etapów

A + B = A + B

A + K = AK

AK + B = AB + K

• rodzaje katalizatorów:

• biologiczne: enzymy

• chemiczne: czerń platynowa, czerń palladowa, jony wodorowe, jony wodorotlenowe wody

BUDOWA ENZYMÓW

• białka proste: aminokwasy połączone wiązaniem peptydowym amylaza, ureaza, aldolaza

• białka złożone: białko + grupa prostetyczna peroksydaza, katalaza

• oddzielenie grupy prostetycznej i ponowne jej przyłączenie
  nie zawsze prowadzi do odtworzenia aktywnej formy enzymu

• grupy prostetyczne: cytochrom, FAD, pirofosforan tiaminy

• białka złożone z koenzymem: białko + koenzym dehydrogenaza

• łatwe oddzielenie koenzymu prowadzi do powstania
  nieaktywnych form, których ponowne złączenie prowadzi do
  odtworzenia aktywnej formy enzymu

SZYBKOŚĆ REAKCJI ENZYMATYCZNYCH ZALEŻY OD:

• stężenia enzymu

• cecha uwidacznia się wtedy, gdy występuje nadmiar substratu

• jeżeli w środowisku reakcji występuje nadmiar substratu, wówczas szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia enzymu

• stężenia substratu

• jeżeli stężenie enzymu jest stałe, wówczas szybkość reakcji zależy od stężenia substratu

1. przy bardzo niskim stężeniu substratu: przyrost szybkości reakcji wraz ze wzrostem stężenia substratu jest wprost proporcjonalny do niego – reakcja I rzędu

3. przy bardzo wysokim stężeniu substratu: szybkość reakcji ma wartość maksymalną i nie zależy od dalszego zwiększania jego stężenia – reakcja 0 rzędu

• obecności substancji hamujących

inaktywatory – czynniki działające niespecyficznie i nieodwracalnie – proces inaktywacja

inhibitory – czynniki działające specyficznie i odwracalnie – proces inhibicja

• inhibitory współzawodnicze – współzawodnictwo pomiędzy inhibitorem a substratem
  o centrum aktywne

E + S → ES

E + I → EI

• inhibitory niewspółzawodnicze – nieodwracalnie blokują centra aktywne przez związki podobne do substratu

• obecności substancji aktywujących

• czynniki przekształcające nieaktywną formę enzymu w aktywną
  (np. enteropeptydaza odszczepia sześciopeptyd od trypsynogenu, przekształcając go w trypsynę)

• czynniki regulujące potencjał redox środowiska

(np. reduktory zawierające grupę tiolową: cysteina, glutation)

• kofaktory – drobnocząsteczkowe związki współdziałające z białkiem enzymu

(np. Cl^- dla amylazy, SO₄^2- dla enzymów proteolitycznych, Mg²⁺ dla fosforylazy)

• pH środowiska

• skrajne wartości powodują denaturację białka enzymatycznego, natomiast niewielkie powodują odchylenia od wartości optymalnej zwalniając tempo reakcji

• zmiana pH powoduje zmianę dysocjacji grup aminowych i karboksylowych w łańcuchu polipeptydowym, a zwłaszcza w obrębie centrum aktywnego - grupy czynne centrum aktywnego tylko w jednej z jonowych form wykazują właściwości katalityczne

• temperatury

• wpływ temperatury na szybkość reakcji opisuje współczynnik temperaturowy Q₁₀

• współczynnik opisuje ile razy wzrośnie/spadnie szybkość reakcji, gdy temperatura reakcji zwiększy/zmaleje o 10°C

$\mathbf{Q}_{\mathbf{10}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{V}_{\mathbf{T + 10}}}{\mathbf{V}_{\mathbf{T}}}$

przy zakresie temperatur <10°C:

$\mathbf{Q}_{\mathbf{T}}\mathbf{=}\sqrt[\mathbf{10}]{\mathbf{Q}_{\mathbf{10}}^{\mathbf{}\mathbf{T}}}$

• zależność pomiędzy szybkością reakcji enzymatycznej a temperaturą i współczynnikiem Q₁₀ opisuje prawo Planka

Q₁₀=e^10a

ozn. to, że przyspieszenie reakcji o 10°C powoduje przyspieszenie reakcji 2-3 razy

• współczynnik Q₁₀ zależy od temperatury – im większa temperaturowa wrażliwość reakcji, tym zależność ta jest bardziej widoczna

$\mathbf{Q}_{\mathbf{10}}\mathbf{= exp}\left\lbrack \frac{\mathbf{E}_{\mathbf{A}}}{\mathbf{R}}\mathbf{\bullet}\frac{\mathbf{10}}{\mathbf{T(T + 10)}} \right\rbrack$

$\mathbf{K =}\mathbf{K}_{\mathbf{A}}\mathbf{\text{\ exp}}\left\lbrack \mathbf{-}\frac{\mathbf{E}_{\mathbf{A}}}{\mathbf{\text{RT}}} \right\rbrack$

• wartość współczynnika Q₁₀ rośnie w miarę obniżania temperatury do punktu krioskopowego, a po jego przekroczeniu w czasie dalszego obniżania temperatury jego wartość zaczyna maleć

Q₁₀ dla chudych zamrożonych ryb:

→ 4,22

-20°C → 2,87

-30°C → 2,13

ujemne Q₁₀ ozn. wzrost szybkości reakcji wraz z obniżeniem temperatury (denaturacja)

• szybkość reakcji enzymatycznej zależy od łatwości z jaką enzym łączy się z substratem – właściwość tą charakteryzuje stała Michaelisa (K_m)

• wielkość liczbowa, określająca stężenie substratu (w mol/l r-r), przy którym szybkość reakcji enzymatycznej jest równa połowie szybkości maksymalnej

• dla większości enzymów K_m =10^-5-10^-12

• biokatalizatory (enzymy) powodują przyspieszenie reakcji rzędu 10⁶-10¹¹ x

PODSUMOWANIE

• jeżeli energia aktywacji jest wysoka (reakcje chemiczne), to K maleje szybciej wraz ze spadkiem temperatury

• jeżeli energia aktywacji jest niska, (reakcje enzymatyczne), to K maleje wolniej wraz ze spadkiem temperatury

• Q₁₀ reakcji enzymatycznych ma niższą wartość (1-2) w porównaniu do reakcji nieenzymatycznych (2-3)

• w warunkach zamrażalniczych może dojść do zjawiska dotyczącego enzymów określanego mianem kriolizy

krioliza = zmiany w środowisku i w samym enzymie następujące w trakcie zamrażania (zmniejszona ilość wody w środowisku na skutek jej wymarzania powoduje wzrost stężenia enzymów, zmianę ich wiązań i konfiguracji, a w konsekwencji zwiększenie jego aktywności)

WPŁYW NISKICH TEMP. NA KOMÓRKI I TKANKI

• szok temperaturowy, czyli gwałtowne obniżenie temperatury do ok 0°C może być szkodliwe,
  a nawet śmiertelne dla wielu organizmów żywych (głównie dla bakterii i roślin wyższych)

• w temperaturach ujemnych obserwowany jest również szok osmotyczny spowodowany szybką krystalizacją wody, co w efekcie powoduje szybki wzrost stężenia elektrolitów, którego następstwem jest wytrącanie się białek i lipoproteidów

WPŁYW NISKICH TEMPERATUR NA DROBNOUSTROJE

psychrofile optimum: <15°C, minimum 0°C (rosną w temp. 0-20°C)

psychrotrofy optimum: >15°C, maksimum 25°C (rosną w temp. 0-7°C)

mezofile optimum: 20-, minimum 10-

mermofile optimum: 45-, minimum 25-

• najbardziej odporne na niskie temperatury są przetrwalniki, następnie w kolejności grzyby, drożdże i komórki wegetatywne bakterii

• najniższa zanotowana temperatura, w której rósł mikroorganizm związany z żywnością wynosi -34°C dla drożdży i -20°C dla bakterii

MOŻLIWOŚĆ PRZEŻYCIA KOMÓREK MIKROORGANIZMÓW ZALEŻY OD:

• rodzaju produktu i jego składu chemicznego

• produkty wysokobiałkowe (mięso, drób, ryby) mają znacznie krótszą trwałość w porównaniu
  z produktami o małej zawartości białka (produkty mączne, owoce, warzywa), które mogą być dłużej przechowywane

• w produktach z dużą zawartością tłuszczu drobnoustroje są mniej wrażliwe na wymieranie podczas obniżania temperatur

• produkty zawierające dużą ilość soli działają letalnie na drobnoustroje

• szybkości zamrażania

• aktywności wody

• przyjmuje się, że produkty zamrożone i przechowywane poniżej -12°C są bezpieczne
  pod względem mikrobiologicznym

• wraz ze spadkiem temperatury spada bowiem aktywność wodna (przy temp. 0°C = 0,62), która dla rozwoju poszczególnych mikroorganizmów wynosi:

0,85 bakterie

0,70 drożdże

0,62 pleśnie

• pH

• niskie pH działa bakteriostatycznie, ale drożdże i pleśnie znoszą je dobrze

• fazy rozwoju mikroorganizmów

• drobnoustroje znajdujące się w fazie wzrostu pod wpływem niskich temperatur doznają szoku termicznego

• rodzaju i charakterystyki mikroflory

pod względem wrażliwości na temperatury ujemne drobnoustroje dzieli się na:

• przeżywające wszystkie warunki mrożenia i rozmrażania
  (spory bakteryjne, przetrwalniki grzybów, niektóre komórki wegetatywne: gronkowce, mikrokoki, paciorkowce)

• niewrażliwe na zamrażanie, ale wymierające w czasie przechowywania
  (oporne bakterie gramdodatnie: Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Micrococcus i niektóre gramujemne: Escherichia, Salmonella, Pseudomonas, Vibrio)

• wrażliwe na zamrażanie i wymierające podczas przechowywania

(gramdodatnie: Bacillus, Clostridium, Corynebacterium, Lactobacillus i gramujemne: Escherichia, Salmonella, Pseudomonas, Serratia)

• bardzo wrażliwe i wymierające przy zamrażaniu

USZKODZENIE MIKROORGANIZMÓW MOŻE NASTĄPIĆ PRZEZ:

• niską temperaturę (najbardziej szkodliwe są temp. w zakresie -5÷-12°C

• powstawanie zewnątrzkomórkowych kryształów lodu

• wzrost stężenia płynów zewnątrzkomórkowych

• powstawanie wewnątrzkomórkowych kryształów

• wzrost stężenia płynów wewnątrzkomórkowych

TEORIE TŁUMACZĄCE ŚMIERĆ MIKROORGANIZMÓW:

teoria mechaniczna → kryształki lodu miażdżą komórki bakterii, a wewnątrz komórek niszczą organelle

teoria substancji wewnątrzkomórkowych → uszkodzenie błon komórkowych powoduje wypływ substancji wewnątrzkomórkowych, które są toksyczne dla innych komórek

STOPIEŃ SCHŁADZANIA DANEGO CIAŁA zależy od:

• ilości usuniętego ciepła

• ilości substancji

• właściwości chemicznych i stanu fizycznego substancji

• warunków, w jakich ciepło jest usuwane

• wielkość ΔT dla danej ilości substancji jest wprost proporcjonalna do usuniętego
  lub doprowadzonego ciepła (Q) i i charakteryzowana jest przez pojemność cieplną

$\mathbf{}\mathbf{T =}\frac{\mathbf{Q}}{\mathbf{C}}\mathbf{\text{\ \ \ \ }}\lbrack kJ/kg/K\rbrack\ lub\ \lbrack cal/g/K\rbrack$

pojemność cieplna = ciepło właściwe - ilość ciepła pobranego lub oddanego przez układ zmieniające jego temperaturę o 1K

woda 1 cal/g/K

lód 0,5 cal/g/K

ciepło przemiany fazowej = ciepło utajone - ilość ciepła ulegająca zmianie towarzysząca przemianie fazowej, ale bez zmiany temperatury

[kJ/kg] → ilość ciepła potrzebna, aby zmienić 1kg cieczy w ciało stałe bez zmiany temperatury

CIEPŁO = forma energii przenoszona na skutek różnicy temperatur, za pomocą:

• przemieszczania molekuł

• rotacji całych lub części molekuł

• wibracji całych lub części molekuł w stosunku do innych

SPOSOBY PRZENOSZENIA CIEPŁA

kondukcja

• przenoszenie ciepła na skutek zderzeń pomiędzy sąsiednimi atomami

• zachodzi pomiędzy materiałami (głównie ciałami stałymi), ale tylko w momencie ich stykania

konwekcja

• przenoszenie ciepła, na skutek ruchu molekuł

• zachodzi głównie pomiędzy powierzchnią ciał stałych, a otaczającą je cieczą lub gazem

• jest podstawowym sposobem przenoszenia ciepła podczas chłodzenia i mrożenia

promieniowanie

• przenoszenie ciepła, na skutek emisji energii elektromagnetycznej z materiału o wyższej
  do materiału o niższej temperaturze

• zachodzi pomiędzy materiałami, które nie kontaktują się ze sobą (nawet poprzez próżnię)

• najbardziej efektywne, gdy występuje duża różnica temperatur pomiędzy materiałami

CHŁODZENIE PRODUKTÓW SPOŻYWCZYCH:

produkty zwierzęce -2°C trwałość: ok. 2 tygodnie (mięso -1÷-2°C, wędliny 2-6°C)

produkty roślinne +2°C trwałość: kilka dni

SZYBKOŚĆ CHŁODZENIA ZALEŻY OD:

• właściwości środowiska chłodzącego (temperatura, wilgotność, szybkość ruchu powietrza)

• wielkości i stanu powierzchni chłodzonego produktu

• właściwości cieplnych produktu (m.in. przewodnictwo cieplne λ, ciepło właściwe c_p
  i przewodnictwo temperaturowe α)

• intensywności oddawania ciepła do środowiska

• różnicy temperatur pomiędzy chłodzonym produktem a środowiskiem

• początkowej temperatury chłodzonego produktu

• rodzaju i i własności cieplnych opakowania

ŚRODOWISKA CHŁODZĄCE:

• gazowe powietrze, CO₂, azot

CHŁODZENIE POWIETRZEM

• warunki chłodzenia

• temperatura -3÷-4°C

• wilgotność zbliżona do stanu nasycenia

• sposoby chłodzenia

• pośrednie → parownik poza komorą i wymuszony ruch powietrza

• bezpośrednie → parownik w komorze

• mieszane → parownik w komorze + wentylator

• zaleta: najbardziej uniwersalne środowisko chłodnicze

• wada: niski współczynnik przejmowania ciepła α i powstanie ususzki

• na przebieg procesu ma wpływ:

• temperatura

• wilgotność

• szybkość owiewu

• ciekłe woda, solanka, topniejący lód lub śnieg

CHŁODZENIE W SOLANCE

• rodzaje solanek

• NaCl -21,2°C

• MgCl₂ -33,6°C

• CaCl₂ -55,0°C

• MgCl₂ i CaCl₂ nie mogą mieć bezpośredniego kontaktu z produktem – stosowane tylko do żywności w opakowaniach

• stałe lód, płyty metalowe

CHŁODZENIE LODEM

• wymiana ciepła pomiędzy:

• powierzchnia produktu ↔ lód

• powierzchnia produktu ↔ woda

• powierzchnia produktu ↔ powietrze

• szybkie chłodzenie w lodzie zależy od:

• różnicy temperatur pomiędzy produktem a lodem (↓ z czasem)

• stopnia przylegania lodu do powierzchni produktu (↑ z czasem)

CZAS CHŁODZENIA:

ilość ciepła przejmowanego z produktu przez środowisko chłodzące [kJ]

Q₁ = S · α · (T_p - T_śr) · t

ilość ciepła oddawanego przez produkt [kJ]

Q₂ = m · C_w · (T_p0 – T_k0)

ponieważ Q₁=Q₂, to:

S · α · (T_p - T_śr) · t = m · C_w · (T_p0 - T_k0)

stąd:

$\mathbf{t =}\frac{\mathbf{m \bullet}\mathbf{C}_{\mathbf{w}}}{\mathbf{S \bullet \alpha}}\mathbf{\bullet}\frac{\mathbf{T}_{\mathbf{p}\mathbf{0}}\mathbf{-}\mathbf{T}_{\mathbf{k}\mathbf{0}}}{\mathbf{T}_{\mathbf{p}}\mathbf{-}\mathbf{T}_{\mathbf{sr}}}$

w rzeczywistości temperatura produktu zmienia się zgodnie z funkcją logarytmiczną

$\mathbf{t =}\frac{\mathbf{2,32\ m \bullet}\mathbf{C}_{\mathbf{w}}}{\mathbf{S \bullet \alpha}}\mathbf{\bullet lg\ }\frac{\mathbf{T}_{\mathbf{p}\mathbf{0}}\mathbf{-}\mathbf{T}_{\mathbf{0}}}{\mathbf{T}_{\mathbf{k}\mathbf{0}}\mathbf{-}\mathbf{T}_{\mathbf{o}}}$

TEORETYCZNA ILOŚĆ LODU:

ilość lodu potrzebnego do schłodzenia surowca wyliczona z bilansu cieplnego chłodzenia

Q = m · C_w · (T_p – T_k)

$\mathbf{M =}\frac{\mathbf{Q}}{\mathbf{r}}$

LÓD SZTUCZNY:

RODZAJE LODU SZTUCZNEGO:

• lód wodny

• blokowy

- najbardziej rozpowszechniona postać lodu sztucznego

- otrzymywany w trzech postaciach:

matowy → mlecznobiały (ze wzg. na pęcherzyki powietrza oraz rozpuszczone sole Ca)

przejrzysty → z mlecznobiałym rdzeniem – częściowo odpowietrzony

krystaliczny → całkowicie odpowietrzony, produkowany z wody destylowanej

• łuskowy

• taflowy

• rurkowy

• płatowy

• lód z solą

• do jego produkcji używa się najczęściej NaCl – obniża temperaturę

• w Polsce zabrania się stosowania tego typu mieszanin m.in. w transporcie kolejowym
  ze względu na korozje metalowych części wagonów, torów i mostów kolejowych

• lód eutektyczny

• wodne r-r niektórych soli wydzielają podczas zamarzania lód eutektyczny

• temperatura lodu eutektycznego zależy od rodzaju użytej soli:

KCl 10,2% -11,1°C

NaCl 23,1% -21,2°C

NaNO₃ 37,7% -18,5°C

CaCl₂ 30,0% -55,0°C

diagram fazowy układu eutektycznego prostego:

• lód suchy

• zestalony i sprasowany CO₂

• temp. lodu wynosi -78,5°C

• otrzymywany przez gwałtowne rozprężenie skroplonego pod ciśnieniem 60 atm. CO₂

• w normalnych warunkach atmosferycznych przechodzi natychmiastowo ze stanu stałego
  w stan gazowy w procesie sublimacji

• podczas transportu nie może mieć bezpośredniego kontaktu z produktem

• lód aseptyczny = lód antybakteryjny

• otrzymywany poprzez dodatek do lodu składników chemicznych (podchloryn wapnia, azotyn sodu) powodujących zahamowanie rozwoju mikroflory

• środki można stosować w formie kąpieli przed lodowaniem (np. dodanie do wody do mycia) lub jako dodatek do lodu

• stosowany do produktów surowych pochodzenia morskiego (ryby, owoce morza), ze względu na ich szybkie psucie się

• lód antybiotykowany

• otrzymywany poprzez dodatek antybiotyku głównie o szerokim spektrum działania (chlorotetracyklina, chloromycetyna) w ilości 1-10g/1t lodu

• przygotowywany zwykle w formie blokowej lub łuskowej, aby była możliwość równomiernego rozprowadzenia antybiotyku

• w bloku stosuje się również dodatek koloidów naturalnych lub syntetycznych oraz kwasy jako stabilizatory

PRODUKCJA LODU WODNEGO

• lód blokowy

wytwornica działająca w sposób okresowy

• forma: pojemniki wkładane do wanny z solanką

• czynnik chłodzący: wężownica

• wady:

- długi okres zamrażania

- niska wydajność

- korodujący wpływ solanki

wytwornica działająca w sposób ciągły

(wytwornica japońska YAMADA)

• forma: parownik o kształcie ściętego ostrosłupa

• zalety:

- ciągłość procesu

- wysoka wydajność

• lód taflowy

wytwornica amerykańska TURBO

• lód rurkowy

• produkcja: rury lodowe o średnicy 5cm

• czas zamrażania: 20-30 min

• działanie:

- woda wpada do rur, które otacza amoniak

- wytworzenie w rurach lodu

- lekkie ogrzewanie ciepłym amoniakiem (odklejenie)

• lód łuskowy

wytwornica duńska ATLAS

• lód zamarza na powierzchni bębna z chromowanej
  stali nierdzewnej, wewnątrz którego znajduje się
  czynnik chłodzący

• lód jest usuwany przez nóż od powierzchni bębna

• wada:

- duża powierzchnia sublimacji

- zbrylanie

PRZECHOWYWANIE CHŁODNICZE SUROWCÓW ROŚLINNYCH:

• aby uzyskać maksymalny czas przechowywania surowców roślinnych, należy:

• pozwolić na kontynuowanie oddychania tlenowego - z małą szybkością, aby zachować życie
  i wykorzystać naturalną obronę żywych organizmów przed atakiem drobnoustrojów

intensywna respiracja ↔ krótszy czas przechowywania
(groszek zielony, fasolka, sałata, maliny, truskawki)

słaba respiracja ↔ dłuższy czas przechowywania
(jabłko, pomarańcza, brzoskwinia, śliwki, marchew, seler, kalafior, burak)

• zachować na tyle niską temperaturę, aby proces psucia się zachodził jak najwolniej

OWOCE KLIMAKTERYLNE:

• w climacteric maximum owoce uzyskują pełną dojrzałość, a następnie przechodzą przez przejrzałość aż do stanu zepsucia

• pomimo stałej temperatury przechowywania wykazują zmienną intensywność oddychania

• maksimum oddychania następuje po optymalnej dojrzałości owoców

• ostry spadek oddychania po przejściu poziomu maksimum wiąże się z przejrzałością

• maksimum oddychania = punkt dzielący wzrost i dojrzewanie od zepsucia i śmierci

• owoce, u których stwierdza się to zjawisko: jabłko, morela, awokado, banan, mango, gruszka

CZYNNIKI DECYDUJĄCE O WARUNKACH PRZECHOWYWANIA:

• temperatura

• temperatura ma wpływ na aktywność mikrobiologiczną patogenów

10-37°C szybki wzrost

3,3-10°C wolny wzrost

<3,3°C zahamowanie wzrost

• owoce i warzywa zwłaszcza pochodzenia tropikalnego i subtropikalnego ulegają w niższych temperaturach uszkodzeniom chłodniczym, polegającym na zaburzeniu równowagi fizjologicznej – przyczyną są zmiany strukturalne w membranach komórkowych, jako rezultat przemian fazowych w lipidach oraz zmian konformacyjnych w białkach

• wilgotność

• nie powinna być ani za duża, ani za mała

zbyt ↑ - rozwój drobnoustrojów, pękanie owoców (straty jakościowe)

zbyt ↓ - więdnięcie, wysuszenie (straty ekonomiczne)

• warunki wilgotności dla poszczególnych produktów:

0°C 90% mięsa, wędliny, jaja, tłuszcz, rośliny okopowe

10°C 85-90% owoce i warzywa

• dostęp światła

• owoce i warzywa nie preferują światła w przechowalniach, ponieważ powoduje pobudzanie procesów kiełkowania i wpływa na zmiany barwy

• pasteryzacja

• zanurzenie w wodzie o temp. 46-54°C przez 1-4 minuty, powodujące redukcję mikrobiologicznych zanieczyszczeń powierzchniowych

• poddawane pasteryzacji są: cytryny, nektarynki, brzoskwinie, papaja

• kontrolowana atmosfera

• obniżenie zawartości O₂ i zwiększenie zawartości CO₂

• wpływa na spowolnienie procesów oddychania

• działa synergistycznie z niższą temperaturą

• środki chemiczne

• związki chemiczne w postaci aerozoli lub dodawane do materiałów opakowaniowych

• opóźniają lub hamują wzrost mikroorganizmów i insektów (SO₂, Cl, bromek metylu, difenyl)

• kontrolują dojrzewanie bananów (etylen)

• opóźniają oparzenia jabłek (difenyloaminy)

• inhibitory kiełkowania ziemniaków i cebuli (karbaminiany fenylowe, hydrazyd maleinowy)

PRZECHOWYWANIE CHŁODNICZE SUROWCÓW ZWIERZĘCYCH:

• schładzanie półtusz wieprzowych

• schładzanie wstępne -12°C 1,5h

• dochładzanie -5°C 2h

• składzanie wyrównawcze +2°C 6-8h

• schładzanie półtusz wołowych

• schładzanie właściwe -5°C 4h bardzo silny obieg powietrza

• schładzanie wyrównawcze +0°C 8h wolny obieg powietrza

• schładzanie drobiu

• schładzanie owiewowe - klasyczne 0°C V=2-3 m/s

• schładzanie w wodzie 2°C 45 min (drób patroszony) – 4h (drób nie patroszony)

• schładzanie w wodzie z lodem

*** metody z zastosowaniem wody chronią przed ususzką i utlenianiem, wpływając na jakość

• schładzanie ryb

• schładzanie w lodzie

• schładzanie w wodzie morskiej schładzanie najbardziej trwałe

• schładzanie w solance -2÷-4°C

*** maksymalna trwałość ryb lodowanych natychmiast po złowieniu kształtuje się w zależności
od ich gatunku w granicach 12-21dni

• schładzanie jaj

• zalecane jest schładzanie wolne z prędkością <0,5°C/h

• temperatura powietrza nie może być niższa niż 0°C, a jego wilgotność względna do 80%

• jako dodatkowe zabiegi stosuje się parafinowanie

• chłodzenie uważa się za zakończone, gdy temp. wnętrza jaja osiągnie 0°C – jaja można przechowywać przez okres 5-9 miesięcy, wahania temperatury nie mogą przekraczać ±2°C

• jaja można również przechowywać w kontrolowanej atmosferze: 90% CO₂+10% N₂
  w warunkach chłodniczych

• schładzanie mleka

• mleko po udoju wykazuje 35°C

• natychmiastowe schładzanie mleka <10°C chroni przed jego kwaśnieniem przez kilkanaście godzin

• schładzanie mleka obejmuje szereg etapów (od producenta aż do odbiorcy detalicznego) – łańcuch chłodniczy nie może zostać przerwany

KRYSTALIZACJA WODY:

WODA:

• podstawowy składnik komórek i tkanek

• od jej ilości zależy przebieg i efekty zamrażania

• rozpuszczalnik

• wysoka stała dielektryczna (ε=80 w 20^oC)

• wysoka pojemność cieplna

• wysokie ciepło parowania

• niska lepkość

• wysoka gęstość stanu ciekłego w porównaniu ze stanem stałym

• napięcie powierzchniowe

• formy strukturalne powstającego z wody lodu zależą od ciśnienia i temperatury mrożenia

lód heksagonalny – typowy, tworzący się w warunkach normalnych

KRYSTALIZACJA:

• dla procesu krystalizacji charakterystyczne są dwa zjawiska

• powstawanie zarodków kryształków

• wzrost kryształków

• przechłodzenie – obniżenie temperatury poniżej punktu zamarzania bez powstawania kryształków lodu

• w praktyce dąży się do realizacji procesu przy maksymalnej ilości zarodków kryształków
  i minimalnej szybkości ich wzrostu

SZYBKOŚĆ OBNIŻANIA TEMPERATURY a forma i rozmieszczenie kryształów:

powolne heksagonalne – kryształy sześciokątne

średnie i duże dendryty – kryształy nieregularne

szybkie i ultraszybkie kuliste

zamarzanie powolne – kryształy:

• duże i nieregularne

• tworzą się w przestworach międzykomórkowych

• powodują znaczne niszczenie komórek

• występuje różnica ciśnienia osmotycznego – woda z komórki przechodzi do przestrzeni międzykomórkowych, co powoduje wysychanie

zamarzanie szybkie – kryształy:

• małe, w dużych ilościach

• tworzą się w komórkach i przestworach międzykomórkowych

• powodują mniejsze uszkodzenia komórek

• nie występuje różnica ciśnienia osmotycznego – woda z komórki nie przechodzi do przestrzeni międzykomórkowych

ILOŚĆ NIE ZAMROŻONEJ WODY zależy od:

• typu i składu żywności

• temperatury składowania

np. dla -20°C:

baranina 88% lodu

ryby 91% lodu

białko jaja 93% lodu

ZAMRAŻANIE ŻYWYCH KOMÓREK I TKANEK:

• temperatura krioskopowa systemów biologicznych - podczas zamrażania żywe komórki charakteryzują się niższą temperaturą krioskopową w porównaniu do komórek i tkanek martwych oraz wyciśniętego soku

• przemiany dyfuzyjne – utrata półprzepuszczalności błon, zachwianie równowagi dynamicznej – aktywny transport

• czas przebywania w niskiej temperaturze – jest ograniczony, ze względu na życie mikroorganizmów, działanie enzymów oraz zachodzenie przemian w żywej komórce

ZAMRAŻANIE ŻYWNOŚCI

CELE STOSOWANIA UJEMNYCH TEMPERATUR:

• zabezpieczenie trwałości produktów w czasie długotrwałego przechowywania

• oddzielenie wody przy zagęszczaniu – kriokoncentracja (soki owocowe i inne płynne produkty żywnościowe)

• przygotowanie produktów do liofilizacji

• wyprodukowanie specyficznych produktów żywnościowych

KRZYWA ZAMRAŻANIA – zjawiska fizyczne wywołane zamrażaniem:

AS (1) – chłodzenie od temp. początkowej do temp. leżącej poniżej temp. krioskopowej produktu – nie występuje krystalizacja

SB (2) – gwałtowny wzrost temperatury do punktu zamarzania – uwalnia się utajone ciepło krystalizacji

BC (3) – obniżanie punktu zamarzania, w wyniku wzrostu stężenia nie zamarzniętego roztworu - krystalizacja większości wody w tkankach

CD (4) – jedna z rozpuszczonych substancji osiąga stan nasycenia – krystalizacja oraz uwolnienie utajonego ciepła krystalizacji i niewielki wzrost temperatury

DE (5) – dalsza krystalizacja wody i substancji rozpuszczonych

EF (6) – spadek temp. do temperatury otoczenia - zakończenie zamrażania

S – przechłodzenie

B – gwałtowna krystalizacja

C – temp. eutektyczna

D – krystalizacja 1 z substancji

F – temp. otoczenia

ISTOTA SZYBKIEGO ZAMRAŻANIA:

• krzywa bardziej pionowa i krótszy odcinek przechłodzenia

• mrożenie szybkie przez tzw. strefę maksymalnego tworzenia kryształów lodu od -1÷-5°C

• najwolniej wymarzają koloidy, dlatego zachodzą nieodwracalne zmiany po rozmrożeniu koloidowych r-r

• temp. w zakresie -4÷-6°C najbardziej uszkadzają białka

temp. eutektyczna = temp. przy której kryształy danej substancji pozostają w równowadze
z kryształami lodu i z nie zamrożonym płynem

glukoza -5°C

sacharoza -14°C

NaCl -21°C

CaCl₂ -55°C

końcowa temp. eutektyczna = najniższa temp. eutektyczna substancji rozpuszczonych w żywności

lody -55°C

mięso -50÷-60°C

chleb -70°C

ZMIANY WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNYCH W CZASIE ZAMRAŻANIA

TEMP. KRIOSKOPOWA = temp. rozpoczęcia krystalizacji

• zależy od:

• stężenia substancji i stopnia ich dysocjacji

• rodzaju rozpuszczalnika - stałej krioskopowej rozpuszczalnika

• ciepła właściwego roztworu

prawo Roulta – wyraża obniżenie temp. krioskopowej roztworu w stosunku do czystego rozpuszczalnika

ΔT_kr = K_kr · n

• na temp. krioskopową nie ma wpływu zawartość tłuszczu i białek

• na temp. krioskopową mają wpływ tylko związki drobnocząsteczkowe rozpuszczalne w soku komórkowym:

• sole mineralne

• kwasy organiczne

• cukry

• przykładowe początkowe temp. krioskopowe (powstanie pierwszego kryształka lodu):

mięso -0,6÷-1,2°C

ryby -0,6÷-2°C

warzywa -1,1÷-1,5°C

owoce -0,9÷-4,5°C

ZMIANA OBJĘTOŚCI i GĘSTOŚCI

• woda po zamrożeniu zmniejsza gęstość

d_wody = 3,98 g/cm³

d_lodu = 0,92 g/cm³

CIEPŁO WŁAŚCIWE = ilość ciepła, którą należy odprowadzić/doprowadzić do ciała o jednostkowej masie by zmienić jego temperaturę o 1°C

• ciepło właściwe po zamrożeniu spada:

Cw_wody = 4,178 kJ/kg·K

Cw_lodu = 2,093 kJ/kg·K

• najintensywniejszy spadek ciepła właściwego zachodzi w zakresie 0÷-10°C:

PRZEWODNICTWO CIEPLNE

• wyrażane za pomocą wsp. przewodnictwa cieplnego λ

• przewodnictwo cieplne po zamrożeniu wzrasta

λ_wody = 0,59 W/mK

λ_lodu = 2,24 W/mK

DYFUZYJNOŚĆ CIEPLNA = zdolność do wyrównywania temperatury

• wyrażania za pomocą wsp. wyrównania temperatury α

• w produktach zamrażanych wyrównanie temperatury zachodzi szybciej niż w produktach nie mrożonych

$\mathbf{\alpha =}\frac{\mathbf{\lambda}}{\mathbf{Cw \bullet d}}$

CIEPŁO USUWANE PODCZAS ZAMRAŻANIA

GLOBALNA ILOŚĆ USUWANEGO CIEPŁA:

• ciepło chłodzenia

• ciepło zamarzania

• ciepło chłodzenia lodu i niewymarzniętych części produktu do określonej temp. końcowej

• ciepło związane z innymi przemianami fazowymi

CZAS PROCESU ZAMRAŻANIA zależy od:

• wymiarów i kształtu ciała

• czas wzrasta proporcjonalnie do kwadratu długości/średnicy

• najszybciej zamrażają się produkty kuliste, najwolniej w kształcie prostopadłościennej płyty

• czynnej różnicy temperatur pomiędzy produktem a medium chłodzącym

• im większa różnica temperatur, tym szybsze zamrażanie

• wsp. wnikania ciepła (α)

• im wyższy, tym szybsze mrożenie

komory owiewowe 3-4 W/m²·K

tunele owiewowe 23-40 W/m²·K

fluidyzacyjne 100-140 W/m²·K

kontaktowe 500-1000 W/m²·K

immersyjne 300-700 W/m²·K

kriogeniczne (ciekły azot) 1000-2000 W/m²·K

• w aparatach współczynnik owiewowych współczynnik α można regulować dobierając prędkość przepływu powietrza – wzrost szybkości przepływu powietrza wiąże się ze zwiększonym zapotrzebowaniem na energię, ale np. wzrost szybkości owiewu z 3-4 m/s powoduje wzrost współczynnika α o 21%

• wsp. przewodzenia ciepła (λ)

• opakowania

• opakowanie produktu wydłuża czas zamrażania

• czas zamrażania produktów w opakowaniach zależy od rodzaju opakowania i rodzaju materiału z jakiego jest wykonane

efektywny czas zamrażania = czas wymagany do obniżenia temperatury żywności
od temp. początkowej do założonej temp. końcowej w środku termicznym produktu

nominalny czas zamrażania = czas, który upływa od chwili kiedy produkt na powierzchni osiągnie 0^°C do chwili kiedy w środku termicznym produktu temp. osiągnie -15^°C

$\mathbf{t =}\frac{\mathbf{i}_{\mathbf{p}}}{\mathbf{2}\mathbf{B \bullet}\mathbf{T}_{\mathbf{\text{cr}}}}\mathbf{\bullet}\mathbf{d}_{\mathbf{\text{pz}}}\left( \frac{\mathbf{l}}{\mathbf{\alpha}}\mathbf{+}\frac{\mathbf{l}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{}\mathbf{\lambda}_{\mathbf{\text{pz}}}} \right)\mathbf{\ }$

efektywna szybkość zamrażania = stosunek minimalnej odległości środka termicznego od powierzchni produktu do efektywnego czasu zamrażania

nominalna szybkość zamrażania = stosunek minimalnej odległości środka termicznego od powierzchni produktu do nominalnego czasu zamrażania

PODZIAŁ ZAMRAŻANIA wg. szybkości zamrażania:

• powolne 0,1-1cm/h

• średnie 1-5 cm/h

• szybkie 5-20 cm/h

PODZIAŁ PRODUKTÓW wg. szybkości zamrażania – wg. Kuprianoffa:

• szybkość nie ma znaczenia, brak wymagań – groszek zielony

• szybkość nie ma znaczenia, ale nie należy zbyt wolno – ryby

• szybkie i ultraszybkie mrożenie – delikatne owoce i warzywa (maliny, truskawki, pomidory, ogórki, szparagi)

• nie wskazane bardzo szybkie mrożenie – tusze, półtusze, ćwierćtusze, duże ryby całości

CZYNNIKI CHŁODNICZE

AMONIAK:

• toksyczny i wybuchowy

• dobrze rozpuszczalny w wodzie i słabo rozpuszczalny w olejach

• trujący dla dróch oddechowych i śluzówki

• instalacje amoniakowe należą do najbardziej wydajnych i łatwych w eksploatacji, ze względu na wysokie ciepło parowania: 1388,1 kJ/kg

FREONY (R12, R22, R502, 12B1, R134a):

• nietoksyczne i niewybuchowe

• ograniczona rozpuszczalność w wodzie, ale całkowicie mieszają się z olejami

• instalacje freonowe pracują sprawnie w agregatach chłodniczych, gdzie sprężarka ze skraplaczem i parownik tworzą oddzielny układ zamknięty

• ciepło parowania 175 kJ/kg

• obecnie wycofywane zgodnie z Protokołem Montrealskim (Cl zawarty w cząsteczkach freonów jest katalizatorem rozkładu ozonu i przyczynia się do powstawania dziury ozonowej
  w atmosferze)

OBIEGI CHŁODNICZE

• zamknięte – czynnik chłodzący nie wydostaje się poza obieg

• absorpcyjne

• sprężarkowe

• otwarte– czynnik chłodzący wydostaje się poza obieg

• LIN →N₂

• LIC →CO₂ skroplone

ZAKRESY TEMPERATUR

I zakres: -38÷-40°C - zamrażanie (odbiorniki temp. ujemnych)

II zakres: -10÷-15°C - chłodzenie (odbiorniki temp. dodatnich)

UKŁAD SPRĘŻARKOWY

1. skraplacz

2. dławik

3. parownik

4. sprężarka

1. skroplony czynnik przepływa do zaworu dławiącego, gdzie zostaje zdławiony do niskiego ciśnienia panującego wewnątrz parownika, a następnie jest wprowadzany do parownika

• ciekły czynnik w stanie nasycenia po obniżeniu ciśnienia staje się parą mokrą o niskiej temperaturze

1. przez zasysające działanie sprężarki w parowniku zostaje wytworzone niskie ciśnienie,
   co powoduje, że ciecz zawarta w parze mokrej zaczyna wrzeć w niskiej temperaturze

• ciepło potrzebne do wrzenia zabierane jest z ciepła doprowadzonego z produktem, który się zamraża

• czynnik ze stanu pary nasyconej staje się parą nasyconą suchą

1. z parownika sprężarka zasysa parę nasyconą suchą, która zostaje sprężona do odpowiedniego ciśnienia, przy czym jej temperatura wzrasta

2. wytłoczona przez sprężarkę para dopływa do skraplacza, gdzie najpierw od pary przegrzanej jest odprowadzane ciepło i następuje obniżenie temperatury, a potem następuje skroplenie, któremu nie towarzyszy zmiana temperatury

• jednostopniowy czynnik chłodniczy utrzymuje temp. ok. 0°C, jeżeli chce się uzyskać temperatury niższe, należy zespolić kilka takich układów

NOŚNIKI ZIMNA

• substancje stosowane do pośredniego przekazywania zimna produktom (najpierw są one schładzane przy zastosowaniu instalacji chłodniczej)

• CaCl, NaCl – powodują korozję metali

• glikole – toksyczne i narkotyczne

• metanol – toksyczny dla organizmu człowieka, ze względu na możliwość zatrucia

• wodne r-r gliceryny – wysoka lepkość w niskich temperaturach

• ekosole (karbinol etylu) – nowa generacja nośników

LÓD BINARNY - NOŚNIK ZIMNA NOWEJ GENERACJI

• mieszanina malutkich kryształków lodu (0,01-0,05mm) i wody

• wykazuje różne właściwości, w zależności od stopnia koncentracji i udziału kryształków:

<20% lodu płynny o cechach czystej wody, ale o 450% większa wydajność ziębnicza

40% lodu płynny, widoczne kryształki lodu i o 700% większa wydajność ziębnicza

>40% lodu w konsystencji przypomina mokry śnieg

90% lodu traktowany jak zwykły lód

• zalety:

• może być stosowany w solankowych urządzeniach chłodniczych

• wysoka wydajność ziębnicza

• wysoki współczynnik wymiany ciepła α

• neutralność wobec środowiska

SPOSOBY ZAMRAŻANIA

powietrzne

• owiewowe (tunelowe, taśmowe, tacowe, spiralne – automatyczne lub sterowane)

• fluidyzacyjne (rynnowe, taśmowe)

kontaktowe

• płytowe (pionowe/poziome)

• taśmowe

• bębnowe

immersyjne → w cieczach niewrzących

• r-r NaCl, CaCl₂, MgCl₂

• r-r cukrów

• glikol

kriogeniczne → w cieczach wrzących

• LIN - tunelowe

• LIC - spiralne

• LNF = ciekły azot

• LAF = ciekłe powietrze

• LCO₂F = ciekły CO₂

• LFF = ciekły freon

ZAMRAŻANIE IMMERSYJNE – w cieczach niewrzących

• zalety:

• wysoki współczynnik wnikania ciepła

• szybkość zamrażania

• wady:

• absorbowanie soli przez produkty

• utrata barwy

• silna korozja urządzeń

• trudny do utrzymania standard higieny

APARAT DO ZAMRAŻANIA DROBIU – firma Linde

• wanna o dł. 10m i szer. 1m wypełniona nośnikiem zimna (najczęściej solanką w temp.
  -16÷-18°C), a następnie chłodzenie owiewowe

  • α = 300-700 W/m²·K

• nośniki zimna: NaCl, chlorek wapnia, glikol propylenowy

ZAMRAŻANIE KRIOGENICZNE – w cieczach wrzących (< -150°C)

• w chwili obecnej czynnikami chłodniczymi są:

• skroplony N₂ (LIN)

• skroplony CO₂ (LIC)

• zalety:

• wysoki współczynnik przenikania ciepła (α = 1000-2000W/m²·K przy bezpośrednim kontakcie z ciekłym azotem)

• duże różnice temperatur

• krótki czas zamrażania

• wady:

• wysokie koszty eksploatacyjne

• znaczne zużycie czynnika chłodniczego

• zastosowanie:

• w przemyśle piekarniczym i cukierniczym jako urządzenie rezerwowe w okresie szczytów produkcyjnych

• usprawnianie pracy tuneli fluidyzacyjnych

• zamrażanie preparatów farmaceutycznych

• długotrwałe utrwalanie kultur starterowych stosowanych w przemyśle mleczarskim

• rodzaje konstrukcji - urządzenia:

• tunelowe

• spiralne

• zanurzeniowe = immersyjne

• komorowe = szafowe

• bębnowe

ZAMRAŻANIE CIEKŁYM AZOTEM (LIN)

1. – wentylatory osiowe (słabe)

2. – wentylatory ośrodkowe (silne)

I faza wstępnego schładzania ↔ wstępne wychłodzenie i powierzchniowe omrożenie

II faza intensywnego zamrażania ↔ zamrożenie produktu do połowy

III strefa natrysku bezpośredniego ↔ całkowite zamrożenie produktu i pojawienie znacznej różnicy temperatur
pomiędzy powierzchnią produktu a jego środkiem termicznym

IV faza wyrównywania temperatur

zapobieganie wnikaniu ciepłego wilgotnego powietrza do wewnątrz produktu osiąga się przez:

• 99% par porusza się przeciwnie do ruchu taśmy

• 1% par porusza się zgodnie z ruchem taśmy

ZAMRAŻANIE CIEKŁYM CO₂ (LIC)

• specjalnie przechowywany pod odpowiednim ciśnieniem i obniżoną temperaturą (-20°C)

• różnica: dysze natryskowe występują w miejscu wejścia produktu – strefa I

• korzystniejsze pod względem energetycznym i ekonomicznym w porównaniu do ciekłego azotu (wydatek energetyczny jest ok. 4x mniejszy, a cena 3x niższa)

• ze względu na mniejszą różnicę temperatur i niższy współczynnik przewodzenia ciepła jest to zamrażanie nieco dłuższe

URZĄDZENIA ZAMRAŻALNICZE

TUNEL OWIEWOWY OKRESOWY

• komorę stanowi wydłużony prostokąt

• produkt zawieszany jest na hakach lub układany na stojakach (tace, sita)

• cechy:

- prędkość powietrza: 4-6 m/s

- wsp. przejmowania ciepła: α = 15-25 W/m²·K

- temp. wrzenia czynnika chłodniczego: -40÷-45°C

- czas zamrażania: 2h – porcja jednostkowa

12-18 h – mięso (półtusze, ćwierćtusze)

24-40h – drób w kartonach lub skrzynkach

TUNEL TAŚMOWO-SPIRALNY

• w zależności od produktu istnieje możliwość regulacji kierunku przepływu powietrza – równolegle lub prostopadle:

przeciwprąd (z góry na dół)= produkty luzem

współprąd (z dołu do góry)= produkty pakowane

• składa się z izolowanej obudowy, w której znajduje się bęben a wokół niego ruszt

• po ruszcie spiralnie przemieszcza się taśma o specjalnej konstrukcji, która kiedy osiągnie szczyt bębna wychodzi

• zalety:

- zmniejszenie powstania ususzki (↓50%)

- zmniejszenie zapotrzebowania na powierzchnię (↓30%)

• czas zamrażania:

60 min – produkty drobne luzem

180-240 min – dania gotowe

TUNEL SPIRALNO-TACOWY

• stosowany do mrożenia produktów drobnych, zazwyczaj w opakowaniach jednostkowych (lody, pieczywo)

TUNEL AUTOMATYCZNY DO PRODUKTÓW W KARTONACH

• w zależności od produktu istnieje możliwość regulacji kierunku przepływu powietrza – równolegle lub prostopadle:

przeciwprąd (z góry na dół)= produkty luzem

współprąd (z dołu do góry)= produkty pakowane

• składa się z izolowanej obudowy, w której znajduje się bęben a wokół niego ruszt

• po ruszcie spiralnie przemieszcza się taśma o specjalnej konstrukcji, która kiedy osiągnie szczyt bębna wychodzi

Tunel automatyczny do produktów w kartonach:

Stosuje się go do zamrażania drobiu oraz mięsa bez kości w blokach. Czas zamrażania wynosi od 3 do 7 h. Wydajność wynosi 3-7 ton/h. V = 5-6 m/s

ZAMRAŻANIE TKANEK

TKANKI ROŚLINNE	TKANKI ZWIERZĘCE
ściany komórkowe gorsza przepuszczalność błon komórkowych efektywniejsze hamowanie rozprzestrzeniania się lodu szybkość zamrażania ma większy wpływ na jakość rozmrożonej tkanki	brak ścian komórkowych mniej efektywne w powstrzymywaniu rozprzestrzeniania się lodu częściej spotyka się lód wewnątrzkomórkowy i rzadziej występują uszkodzenia mechaniczne główną przyczyną uszkodzeń jest podwyższone stężenie soku komórkowego

TKANKI ROŚLINNE

• usuwanie ciepła z komórek roślinnych – 2 warianty:

• wolne usuwanie ciepła + wysoka/niska przepuszczalność H₂O – wysychanie komórki

• szybkie usuwanie ciepła + niska przepuszczalność H₂O – zamarzanie wnętrza komórki

• szybkie usuwanie ciepła + wysoka przepuszczalność H₂O – wysychanie komórki

TKANKI ZWIERZĘCE

• przed zamrażaniem musi nastąpić kondycjonowanie i dojrzewanie

• w trakcie kondycjonowania zachodzi glikogenoliza (wieloetapowe przemiana glikogenu
  w kw. mlekowy oraz enzymatyczny rozkład nukleotydów)

ATP → ADP → AMP → IMP → inozyna → hipoksantyna

rigor mortis = stężenie pośmiertne

• występuje po 2-10h po udoju

• następuje w wyniku łączenia się miofibrylli miozynowych i aktynowych w kompleks
  aktynomiozynowy, którego rozpad kończy stężenie pośmiertne i rozpoczyna dojrzewanie (autolizę)

cold shortening = zimne skrócenie

• następuje na skutek niewłaściwego traktowania mięsa zaraz po uboju – pozostawienie
  w temperaturze < 10°C

• zapobieganie:

• odczekanie do chwili wystąpienia rigor mortis

• bezpośrednio po zamrożeniu umożliwienie przebiegu rigor mortis, jeżeli mięso było mrożone przed rigor mortis

• zastosowanie elektrostymulacji

- działanie prądem elektrycznym o napięciu 100-600V przez 4 min bezpośrednio po uboju

- elektrostymulacja przyspiesza glikogenolizę, powoduje szybszy spadek pH i rozkład ATP

- stosuje się ją przede wszystkim w stosunku do mięsa wołowego i baraniego

- występuje po 2-10h po udoju

thow rigor = stężenie rozmrażalnicze

• pojawia się w mięsie, które nie przeszło rigor mortis ani przed zamrożeniem ani w czasie składowania zamrażalniczego

• zapobieganie:

• zamrażanie mięsa po rigor mortis

• zaplanowanie długiego składowania zamrażalniczego

• podniesienie temp. przed rozmrożeniem (do -3÷-4°C)

ŁAŃCUCH CHŁODNICZY

• cykl działań mający na celu zachowanie warunków temperatury na drodze producent ↔ konsument

• produkt (surowiec) po wytworzeniu (pozyskaniu) powinien być możliwie natychmiastowo schłodzony lub zamrożony w sposób uznany dla niego za najwłaściwszy, a następnie przechowywany w możliwie niezmienionych warunkach aż do czasu przygotowania go do konsumpcji

OGNIWA ŁAŃCUCHA CHŁODNICZEGO

• chłodzenie zakładowe (produkcyjne)

• zlokalizowane bezpośrednio przy przetwórniach

• pod względem konstrukcji i eksploatacji nie różnią się od chłodni składowych, ale mają 5x większą zdolność zamrażania

• chłodzenie składowe

• punkt łączący produkcję z dystrybucją

• działają usługowo na rzecz przetrzymywania żywności rożnych producentów

• obecnie stosowane są tylko chłodnie parterowe – zalety:

- pełna mechanizacja robót przeładunkowych

- większa pojemność komór

- łatwy dostęp do komór

- tańszy koszt eksploatacji

- eliminacja głębokiego fundamentowania

• konstrukcja: lekki stalowy szkielet wypełniony izolacją w kształcie wydłużonego prostokąta

• wyposażenie: palety 80x120cm i wózki widłowe

• specjalnie zamykane drzwi oraz dodatkowe zabezpieczenia w postaci zasłon i kurtyn

• chłodzenie dystrybucyjne

• służą do krótkiego przechowywania artykułów spożywczych przeznaczonych do sprzedaży w sieci handlu detalicznego

• chłodzenie za zapleczach hipermarketów

• meble chłodnicze w sklepach (lady samoobsługowe, witryny, regały)

• lodówki i zamrażalki domowe

* to temp. i trwałość przez 1 tydzień,

** to temp. i trwałość 1 miesiąc,

*** to temp. i trwałość 3 miesiące

• transport chłodniczy łączący poszczególne ogniwa

ZASADY NOWOCZESNEGO ŁAŃCUCHA CHŁODNICZEGO

• należy tak organizować dystrybucje, aby produkt jak najdłużej przebywał w chłodni składowej (gdzie maja najlepsze warunki), a jak najkrócej w ladach sklepowych

• należy ograniczyć liczbę lad do niezbędnego minimum, natomiast na zapleczu wybudować chłodnię o temp. -25°C

• należy eliminować z łańcucha chłodniczego dystrybucje jako oddzielne ogniwo

TRANSPORT CHŁODNICZY

• drogowy – izotermiczne lub dodatkowo wychładzane samochody chłodnicze

• kolejowy

• morski

• kontenerowy – szybki, wydajny, dobrze zachowujący jakość produktów

CZAS TRANSPORTU W SAMOCHODACH IZOLACYJNYCH – wzór Liedinga

$\mathbf{t =}\frac{\mathbf{M \bullet Cw\ (}\mathbf{T}_{\mathbf{k}}\mathbf{-}\mathbf{T}_{\mathbf{p}}\mathbf{)}}{\mathbf{Q \bullet k \bullet F \bullet}\mathbf{T}_{\mathbf{m}}}$

SYSTEMY CHŁODZENIA

• transport drogowy:

• chłodzenie mechaniczne (agregaty z własnym silnikiem)

• chłodzenie ciekłym azotem (zbiornik z przewodami i dysze natryskowe)

• chłodzenie za pomocą płyt eutektycznych (rozmieszczone na ścianach płyty z r-r eutektycznym utrzymującym po wychłodzeniu temperaturę w zakresie -3÷-50°C)

• kolejowy

• suchy lód

• ciekły azot

• płyty eutektyczne