OTŻ

wykład 5 31.03.05

Smażenie:

- silne ogrzewanie(T>100 st.C do 200 st.C)odpowiednio przygotowanego półproduktu(mięso, ryby, ziemniaki, owoce, warzywa)pod zwykłym ciśnieniem w ciekłym ośrodku(tłuszcz, syropy: skrobiowy lub sacharozowy)

- dalekie zmiany w produkcie(NEB, dekstrynizacja skrobi, odwodnienie powierzchni, denaturacja białek)

- smażenie w tłuszczach gdy zbyt duża T(zwykle>180 st.C) - hydroliza,autooksydacja,izomeryzacja,polimeryzacja,akroleina(CH2=CH-CHO),produkty termizacji substancji lipidowych np. steroli - rakotwórcze. Wchłanianie 10 - 45% tłuszczu przez produkt powoduje wzrost wartości kalorycznej, częste uzupełnianie tłuszczu.

Zastosowania przemysłowe:

- produkcja konserw rybnych

- produkcja frytek i chipsów

- produkcja konserw warzywnych(niektórych)

- smażenie konfitur

- produkcja owoców wysycanych syropem cukrowym

Rodzaje: płytkie - patelnie, panwie(ogrzewanie płomieniowe lub elektryczne),patelnie ze specjalnymi żywicami

głębokie - taśma z koszykami przechodząca przez wannę z nagrzanym tłuszczem

Automatyka - bardzo dokładne sterowanie T tłuszczu + czas przebywania produktu

b. ważne - okresowa wymiana tłuszczu

Pieczenie:

- nie tylko operacja, ale też proces - sekwencja poszczególnych przemian i reakcji

- typowe dla piekarstwa(temp. zwykle 230 - 260 st.C, tylko powierzchnia dochodzi do wyższych temp., wnętrze do 100 st.C(zabicie drożdży i bakterii wegetatywnych, ścięcie glutenu(65 st.C), skleikowanie skrobi 75 - 80st.C - właściwy efekt pieczenia)

Zmiany zachodzące w czasie pieczenia chleba: mięknięcie ciasta - do 50 st.C, działanie drożdży i enzymów, rozszerzanie się gazów, żelowanie skrobi, koagulacja białka, brunatnienie skórki(ok.200st.C),dekstrynizacja,ekstryfikacja,utlenianie,parowanie,zmiany smakowo-zapachowe

Gotowanie:

- utrzymywanie cieczy przez dłuższy czas w stanie wrzenia

- tzw. warzenie np. warzenie brzeczki z chmielem(1.5 - 2.5h)w celu wyługowania żywic chmielowych, koagulacji białek i uzyskania klarowności brzeczki: kotły warzelne(50 - 100 m³,Cu,stal),desulfitacja(usuwanie 0.2% SO₂),gotowanie w garmażerii, utrzymywanie w stanie wrzenia przy destylacji

Urządzenia: kotły z płaszczem parowym, wanny pasteryzacyjne(do słoików)

Tostowanie:

- ogrzewanie nawilgoconych produktów z nasion roślin strączkowych(95-120 st.C)

- cel: zniszczenie substancji antyżywieniowych (inhibitory proteaz, hemaglutyniny, saponin, fitynian)skuteczność wzrasta, gdy nawilgocenie i temperatura wzrasta

Chłodnictwo: chłodzenie, oziębianie, zamrażanie

Zastosowanie chłodnictwa:

a) w procesie technologicznym(schładzanie drobiu, produkcja lodów, chłodzenie po blanszowaniu, regulacja szybkości procesów chemicznych i biochemicznych(dojrzewanie sera, mięsa, win),wpływ na właściwości technologiczne materiałów(lepsze cięcie mięsa, serów, lepsza rozpuszczalność CO₂(soft drinks))

b) utrwalanie żywności(żywność chłodzona, mrożonki)

c) transport chłodniczy(surowce - np. truskawki z pola i gotowe produkty(np. mrożonki))

Przenikanie ciepła - te same zasady co przy ogrzewaniu

Chłodzenie bezprzeponowe(natrysk zimnej wody, owiew zimnego powietrza)

Chłodzenie przeponowe(współprąd, przeciwprąd),np. po pasteryzacji, chłodzeniu mleka - zużycie wody 2 - 2.5 razy > niż mleko

Ciecze o małej lepkości - nie ma problemów

Ciecze o dużej lepkości(lub gdy lepkość wzrasta, tak że temperatura maleje):wymienniki skrobakowe, fryzery - konwekcja wymuszona

Podstawy techniki chłodniczej:

Druga zasada termodynamiki - samorzutność procesu - ΔS > 0

Q = Q₀ + L

bez pracy ΔS = Q₀ / T - Q₀ / T₀ ≤ 0

T> T₀

aby był proces samorzutny,trzeba włożyć pracę L

ΔS = (Q₀ + L)/T - Q₀ / T₀ = Q/T - Q₀ / T₀ ≥ 0

L ≥ Q₀(T- T₀)/ T₀))

Obiegi chłodnicze: sprężarkowe, absorpcyjne

Obieg sprężarkowy: sprężarka, kondensor(+dochładzanie), dławik, parowanie

Czynnik chłodniczy: amoniak, freony

Układ log p = f(i)

q₀/l = ε - współczynnik wydajności chłodniczej

Fizyczne zjawiska wywołane zamrażaniem:

1) tworzenie się i wielkość kryształów lodu

- gdy temperatura mniejsza niż 0 st.C to w produkcie spożywczym nie tworzy się jeszcze lód, bo: prawo Roulta(obniżenie temp. krytycznej)

ΔTkr = - ε_kr n ε_kr=1.86[st.C/mol]

Diagram fazowy układu eutektycznego prostego(np. woda - sól):

WT = 0 st.C - delta Tkr(temperatura krioskopowa) - tworzą się pierwsze kryształy lodu, w pozostałej fazie wodnej stężenie soli nieco wyższe. W miarę jak temperatura maleje, tworzy się coraz więcej kryształów lodu, a niewymrożony roztwór zatęża się coraz bardziej, aż temperatura maleje do T_E ,gdzie całość zestali się(skład eutektyczny)

sól+NaCl stężenie soli 22.4%

T_E = - 21.2 st.C

- w miarę stopniowego wymrażania lodu stężenie soli rośnie, wpływ na biopolimery(denaturacja mrożeniowa białek, wpływ na aktywność enzymów),wzrost także stężenia innych reagentów, niektóre reakcje ulegają przyspieszeniu(głównie zakres od -1 do -5st.C,odstępstwo od równania Arrheniusa(ważne szybkie przejście zakresu od -1 do -5 st.C)

- front lodowy idzie od zewnątrz produktu - wraz z zamrażaniem stężenie soli rośnie - migracja wody z warstw wewnętrznych dla utrzymania równowagi 2

- powolne zamrażanie - "osuszenie" wnętrza komórek(migracja wody poza nie),+duże kryształy lodu(uszkodzenia traumatyczne)-duży wyciek

- szybkie zamrażanie - dużo małych kryształków lodu, brak "osuszenia" wnętrza komórek,< uszkodzenia traumatyczne

Wykres szybkiego i powolnego zamrażania

2) zmiany właściwości fizykochemicznych podczas zamrażania:

V↑(H₂O → lód → V↑ 9% w żywności (∼6%)),gęstość↓, Cwl↓( C_wl lodu ≈ 1.2C _wl wody)

λ(przewodnictwo elektryczne)↑( λ lodu → 4x > niż λ_HO), a(przewodnictwo temperaturowe)↑(dla lodu 9x >),ε^''(stała dielektryczna) ↓↓

Operacje dyfuzyjne:

dyfuzja: a) cząsteczkowa - zjawisko wymiany masy spowodowane różnicą potencjałów chemicznych danego składnika w różnych miejscach układu.Potencjał chemiczny jest funkcją zależna od p,T i c. Ponieważ zwykle p, T = const, więc potencjał chem. zależny od c, a więc dyfuzja cząsteczkowa spowodowana jest bezładnym, cieplnym ruchem cząstek prowadzonym do wyrównania stężeń(ruchy cieplne molekuł)

Siłą napędową dyfuzji jest wzrost entropii (s)

Im temperatura większa tym szybkość dyfuzji większa(związek operacji dyfuzyjnych z cieplnymi)

Dyfuzję cząsteczkową opisuje równanie Ficka

G = -DF δ_c/δ_x d_τ ilość substancji dyfundującej w czasie

d_τ przez powierzchnię F

δ_c/δ_x gradient stężeń

D kinematyczny współczynnik dyfuzji

b)konwekcyjna - zjawisko przemieszczania się cząstek składnika czynnego spowodowane ruchem samego nośnika, efekt - szybkie wyrównanie stężeń w całej objętości fazy nośnika(konwekcja naturalna i wymuszona)

Przy dyfuzji międzyfazowej - na granicy faz dyfuzja cząsteczkowa, która ustępuje konwekcyjnej, im bliżej jądra fazy(analogia do przewodnictwa i konwekcji cieplnej)

W 2 fazach dyfuzyjnie nieczynnych(nośnych) jest rozmieszczony trzeci składnik dyfuzyjnie czynny(migrujący).

W w/w operacjach - wymiana masy:

- przemieszczanie się substancji migrującej do granicy faz

- przenikanie przez powierzchnie międzyfazowe

Przenoszenie dyfuzyjne masy w następujących układach(TŻ):

- między cieczą i gazem

- między 2 niemieszającymi się cieczami

- między cieczą i ciałem stałym

- między gazem i ciałem stałym

W T.Ż. wymiana masy :

a) do wstępnego oczyszczania surowca lub wydzielenia z niego składnika

b) do końcowego oddzielenia produktów i półproduktów powstałych w procesie technologicznym

Zwykle interesujące nas składniki występują w małych stężeniach np. zacier gorzelniczy - 8 do 9% EtOH + 40 innych różnych składników, chcemy otrzymać EtOH 95-96%.Im większy stosunek stężenia żądanego do tego jakie jest i im większy wymagany stopień oczyszczania, tym bardziej złożone, uciążliwe i droższe jest przeprowadzenie właściwego procesu wymiany masy

Dyfuzja - podstawa wielu operacji w T.Ż.:

- suszenie - usuwanie wilgoci z materiału przez odparowanie jej do fazy gazowej

- ekstrakcja - wydobywanie ze stałej lub ciekłej mieszaniny jednego lub kilku jej składników za pomocą rozpuszczalnika o wybiórczej zdolności rozpuszczania. Składnik przenika z fazy stałej lub ciekłej do ciekłej ,z której następnie jest wydzielony przez destylację lub krystalizację

- krystalizacja - tworzenie się i rozrost kryształów przy przejściu substancji ze stanu ciekłego w stały

- adsorpcja - wybiórcze pochłanianie gazów lub rozpuszczanie w cieczy substancji(adsorbat) na rozwiniętej powierzchni ciał stałych(adsorbent)

- absorpcja - pochłanianie gazów w całej objętości cieczy lub ciała stałego(saturacja dwutlenku węgla, siarkowanie)

- destylacja - przeprowadzenie w stan pary i ponowne skroplenie jednego lub kilku składników mieszaniny ciekłej w celu ich rozdzielenia lub oczyszczenia

- rektyfikacja - rozdzielenie mieszanin cieczy lub par oparte na przeciwprądowym zetknięciu się cieczy i pary przy równoczesnej wymianie ciepła i masy(przemysł spirytusowy, olejki eteryczne)

Destylacja i rektyfikacja:

- cel: oddzielenie jednego lub kilku bardziej lotnych składników mieszaniny ciekłej przez utrzymywanie jej w stanie wrzenia w aparacie destylacyjnym

- opary wzbogacane są w składnik bardziej lotny, a mieszanina destylacyjna jest zubażana(para ma inny skład niż ciecz pozostająca z nią w równowadze).

Wielokrotne powtarzanie destylacji uzyskiwanego kondensatu prowadzi do coraz większego stężenia składnika lotnego, ale uwaga! w układach azeotropowych od pewnego stężenia substancji lotnej nie uzyskuje się już wzrostu jej koncentracji w kondensacie(ciecz i para mają jednakowy skład)

Taki skład azeotropowy to np.:EtOH + woda(97.2% obj.,95.6% wagowo EtOH,temp.wrzenia = 78.15 st.C)

Zastosowanie: produkcja spirytusa, wódek, odzysk aromatów(głównie rektyfikacja),destylacja prosta - produkcja koniaków)

Im wyższe stężenie etanolu,tym stężenia par uzyskujemy coraz mniej.

Destylacja prosta:

- aparatura: kocioł + skraplacz + odbieralniki

- ciągłe usuwanie oparów znad wrzącej mieszaniny - ciągły spadek stężenia składnika lotnego w kotle-w następstwie tego również w oparach spadek stężenia składnika lotnego

Za pomocą destylacji prostej nie można uzyskać destylatu o wysokim stężeniu składnika bardziej lotnego. W miarę jak rośnie ilość destylatu to obniża się w nim zawartość składnika bardziej lotnego i zbliża się do zawartości w mieszaninie wyjściowej. Ilustruje to przebieg izobary.

Destylacja prosta z deflegmacją: procesowi destylacji towarzyszy zwykle wywołana celowo lub przebiegająca samoczynnie deflegmacja - częściowe skraplanie pary zachodzące ze zmianą składu faz, tak że < lotne składniki pary ulegają częściowemu skropleniu, wzbogacając przez to fazę parową w składnik bardziej lotny. Tworząca się podczas deflegmacji faza ciekła to flegma. Urządzenia zwiększające deflegmację to deflegmatory.

Rektyfikacja:

- proces destylacji prowadzony w aparatach kolumnowych ,tak że podczas przeciwprądowego przepływu cieczy i pary zachodzi wymiana ciepła i masy

- poszczególne "kotły destylacyjne", tzw. półki ustawiane są jedna nad drugą, a przeciwprąd zapewnia wielokrotne odparowywanie i kondensację czynnika

- efekt - otrzymuje się wysokie stężenie składnika bardziej lotnego

Kolumna rektyfikacyjna może pracować w sposób ciągły lub okresowy.

---