9. Operacje mechaniczne w technologii żywności, podział, znaczenie i zastosowania
Do mechanicznych operacji w technologii żywności należą: rozdrabnianie, rozdzielanie, mieszanie i inne. Polegają na działaniu na surowiec i inne materiały siłami zewnętrznymi wywołującymi ruch materiału lub jego odkształcenie czy dzielenie, lub aglomerację.
Mieszanie jest operacją odwrotną do rozdzielania i ma na celu uzyskanie możliwie jednorodnej mieszaniny różnych składników. Stosuje się je w celu:
zapewnienia jednolitego składu produktów
zabezpieczenia przed rozdzielaniem komponentów
przeciwdziałanie przypalaniu produktów
zintensyfikowania procesów przenoszenia masy i ciepła
rozwinięcia powierzchni ciał reagujących ze sobą
wywołania pewnych zjawisk fizycznych, np. zmaślania się śmietany, zapoczątkowania krystalizacji, wytworzenia emulsji
Bardzo daleko posunięty proces mieszania wraz z jednoczesnym rozdrabnianiem nosi nazwę homogenizacji. Mieszanie może przebiegać w układach:
2 lub więcej składników rozdrobnionej fazy stałej
rozdrobnionej fazy stałej w cieczy z wytworzeniem zawiesiny
niemieszającej się jednej cieczy w drugiej z wytworzeniem emulsji(np. serków homogenizowanych, lodów, masła, majonezu)
rozdrobnionej fazy stałej w gazie - aerozole
Mieszanie ciał stałych jest ważną operacją w młynarstwie, w przemyśle koncentratów spożywczych oraz w mieszalniach pasz.
Do mieszania cieczy o małej i średniej lepkości stosuje się mieszalniki np. do przygotowywania syropów, solanek i rozcieńczania skoncentrowanych roztworów. Do mieszania materiałów sypkich stosuje się mieszarki - np. do mąki. Do mieszania materiałów plastycznych wykorzystywane są zagniatarki, wygniatarki i ugniatarki - np. przy wyrobie masła lub ciasta makaronowego.
Do procesów rozdzielania zaliczamy sedymentację, przesiewanie, filtrację i wirowanie.
Sedymentacja to proces rozdziału 2-óch nierozpuszczalnych w sobie cieczy lub cieczy i ciała stałego na skutek działania siły ciężkości. Proces ten można przyspieszyć przez zastosowanie siły odśrodkowej i wtedy nazywamy go wirowaniem. Wirowanie może być:
procesem rozdziału emulsji - rozdział 2-óch cieczy wzajemnie nierozpuszczalnych
procesem klaryfikacji - rozdzielenie zawiesiny o niedużym stężeniu fazy stałej
procesem odszlamowania - rozdzielenie zawiesiny o dużym stężeniu fazy stałej
Ważnym zastosowanie procesu wirowania jest oddzielenie bogatej w tłuszcz frakcji mleka co prowadzi do powstania śmietany. Inne zastosowanie tego procesu to:
w przemyśle krochmalniczym oddzielenie krochmalu od wody owocowej
w przemyśle drożdżowym do osadzania drożdży z mleczka drożdżowego
w przemyśle owocowym do wstępnego klarowania soków owocowych
w cukrownictwie do oddzielenia wykrystalizowanego cukru od melasy.
Filtracja - metoda oddzielania substancji stałych od cieczy i gazów, poprzez mechaniczne zatrzymanie jednego ciała stałego w przegrodach porowatych (filtrach) przy użyciu odpowiednich aparatów. Ciecz lub gaz otrzymywane po filtracji nazywa się filtratem. Filtracja może być prowadzona pod stałym ciśnieniem po obu stronach warstwy filtrującej (izobaryczna), w tym przypadku wraz ze wzrastającą ilością przesączonej zawiesiny ilość osadu rośnie a szybkość filtracji zmniejsza się. Filtracja pod zwiększonym ciśnieniem, dzięki czemu zostaje zachowane stałe natężenie przepływu filtratu. Filtracje stosuję się przy klarowaniu soków, piwa i wina, oraz przy produkcji syropów owocowych.
Poprzez mechaniczne procesy takie jak: ubijanie czy wytrząsanie fazy ciekłej w obecności gazu można tworzyć układy dyspersyjne zwane pianami np. bezy, bita śmietana, lody, pieczywo. Stabilność pian jest tym większa im mniejsze jest napięcie międzyfazowe, a większa lepkość fazy ciekłej i zawartość oraz elastyczność filmów zaabsorbowanych substancji spieniających. W przemyśle spożywczym w charakterze takich substancji stosuje się białka.
Rozdrabnianie jest takim rodzajem oddziaływania na materiały, które prowadzi do zmniejszenia cz.iistck tego materiału. Polega ono na wywołaniu w materiale naprężeń przekraczających jego wytrzymałość i spójność, dzięki czemu materiał rozpada się na cząstki mniejsze od wyjściowych. Przez rozdrabnianie uzyskuje się zwiększenie powierzchni właściwej materiału, co sprzyja intensyfikacji wielu procesów fizykochemicznych.
Ze względu na intensywność i stopień zaawansowania procesu, rozdrabnianie materiałów roślinnych i zwierzęcych można podzielić na rozdrabnianie tkankowe i rozdrabnianie komórkowe. Rozdrabnianie tkankowe polega na rozczłonkowaniu dużych fragmentów materiału z maksymalnym zachowaniem struktury komórkowej. Prowadzone jest głównie
w celu przygotowania materiału do dalszej obróbki przez ujednolicenie wielkości cząstek, zapewnienie właściwego przebiegu procesów dyfuzyjnych wymiany masy i ciepła. W zakresie tego typu rozdrabniania wyróżniamy takie procesy jak:
a) łamanie,
b) krajanie,
c) szarpanie.
W odróżnieniu od tego rodzaju procesów, rozdrabnianie komórkowe jest bardziej intensywnym oraz precyzyjnym oddziaływaniem mechanicznym na materiał. Celem tego procesu jest całkowita dezintegracja struktury komórkowej i uzyskanie bardzo małych (zwykle poniżej 50/an) wymiarów cząstek materiału. Najczęściej rozdrabnianie komórkowe
jest działaniem wtórnym, poprzedzonym obróbką rozdrabniania tkankowego. Duży stopień rozdrobnienia komórkowego, czyli zmielenie materiału, można zapewnić przez zastosowanie różnego rodzaju gniotowników i młynów lub homogenizatorów.
Przykładem zastosowania procesu krajania w wielkiej skali, jest otrzymywanie specjalnej krajanki korzeni buraczanych celem poddania jej dyfuzji dla wydobycia z niej cukru. Stosuje się także krajanie owoców i warzyw na różnorodne kształty krajanki, a przede wszystkim na plasterki, słupki i kostkę. Służą do tych celów różnorodnej konstrukcji krajalnice suwakowe, a przede wszystkim krajalnice odśrodkowe. łamanie (kruszenie lub śrutowanie) jest procesem, który stosuje się zwykle do rozdrabniania dużych brył materiałów kruchych na cząstki o wymiarach liniowych kilku centymetrów. Służą do lego celu łamacze szczękowe, stożkowe i walcowe. szarpanie — to proces, który stosuje się głównie do rozdrabniania materiałów miękkich i elastycznych. W szczególności szarpaki stosuje się do rozdrabniania na miazgę warzyw, owoców i mięsa. mielenie materiałów czyli rozdrabnianie komórkowe może być
zrealizowane dzięki zgniataniu, zderzaniu oraz działaniu sił ścinających, powstających podczas przesuwania się i tarcia powierzchni względem materiału rozdrabnianego. Mielenie może być zastosowane w odniesieniu do materiału sypkiego względnie do płynnych zawiesin cząstek ciała stałego w środowisku ciekłym.
Przesiewanie. Procesy przesiewania służące do rozdzielania zawiesin, których cząstki różnią się wymiarami, można rozpatrywać w pierwszym przybliżeniu przez analogię do procesów filtracji. Jedyną różnicą między filtracją a przesiewaniem jest to, że przesiewanie odbywa się przy użyciu przesiewaczy zaopatrzonych w sita bez udziału warstwy filtracyjnej i przy ciągłym niszczeniu warstwy osadu. Dzięki niedopuszczaniu do wytworzenia warstwy filtracyjnej (warstwy osadu) w procesie przesiewania istnieje możliwość przenikania przez sitową przegrodę nie tylko klarownej fazy rozpraszającej (cieczy lub gazu) ale również cząstek zawiesiny o wymiarach mniejszych od wielkości oczek sita. Przesiewanie stosuje się w celu oczyszczenia z zanieczyszczeń mechanicznych, ujednolicenia pod względem wymiarów.
2