Wykład X 02.06.05.

SUSZENIE w TŻ

• jedna z najstarszych metod utrwalania żywności

• usuwanie wilgoci (połączone z dostarczaniem ciepła) w celu uzyskania produktu w stanie stałym, odpornego na działanie drobnoustrojów, przemiany enzymatyczne i chemiczne (czasem konieczne specjalne pakowanie)

• dostarczanie ciepła najczęściej połączone z usuwaniem wilgoci (konwekcja - powietrze), ale także przewodnictwo (suszarki walcowe, mikrofale)

• suszenie okresowe i ciągłe

• współprądowe (ograniczony stopień wysuszenia - stosowane tam, gdzie istnieje obawa, że suchy produkt w zetknięciu z gorącym powietrzem uległby zniszczeniu) powszechnie stosowane w TŻ

• przeciwprądowe (wysoki stopień wysuszenia, stosowane do materiałów odpornych na wysokie temperatury)

• zmiennoprądowe (naprzemienne lub sukcesywne)

• w prądach skrzyżowanych (prostopadły przepływ materiały i czynnika suszącego)

• ruch wody w materiale suszonym: f(stopnia i sposobu jej związania) aktywność wodna a_w (woda związana, woda wolna)

• izotermy sorpcji zależność zawartości wilgoci od równowagowej wilgotności względnej (a_w) (T = const.)

• wpływ aktywności wodnej na przemiany w żywności (BET monolayer - monowarstwa największa stabilność)

Przebieg procesu suszenia konwekcyjnego.

Wilgotność właściwa masa H₂O / jednostka masy s. s.

Krzywe suszenia (AB - podgrzewanie materiału; BC - odcinek prostoliniowy; CD - odcinek krzywoliniowy, zbliża się asymptotycznie do wilgotności równowagowej materiału)

Krzywe temperaturowe suszenia - obrazują zależność między temperaturą, a wilgotnością właściwą.

Krzywe szybkości suszenia - obrazują zależność między szybkością suszenia, a zawartością wilgoci w produkcie.

OKRESY SUSZENIA:

1. okres suszenia szybkość suszenia i temperatura materiału ≈ const.
   - przebieg podobny do odparowania wody ze swobodnej powierzchni roztworu, tzn. powierzchnia jest częściowo lub całkowicie zwilżona - dopływ wody do powierzchni jest większy lub równy ilości wody odparowanej;
   mechanizmy dopływu:
   1) różnica ciśnień osmotycznych i wyrównanie gradientu stężenia;
   2) parowanie z warstw wewnętrznych;
   3) dyfuzja kapilarna do obszarów bezwodnych;
   temperatura materiału ≈ temperatura mokrego termometru (przy danej wilgotności powietrza); o szybkości suszenia decydują warunki konwekcyjnej wymiany ciepła i masy.
   

2. okres suszenia po przekroczeniu tzw. wilgotności krytycznej dalsze suszenie powoduje, że opory przenoszenia masy w materiale zaczynają przeważać nad oporami konwekcyjnej wymiany masy z powierzchni produktu - powierzchnia wysycha, a strefa parowania ulega zagłębianiu; szybkość suszenia spada w sposób ciągły; ze względu na zwiększające się opory przewodzenia wody w materiale, „kształt” tego spadku = f(rodzaju materiału).

Parametry wpływające na przebieg procesu suszenia:

• wstępna obróbka materiału suszonego rozluźnienie struktur (termiczne, mechaniczne lepsze suszenie);

• prędkość suszenia jest odwrotnie proporcjonalna do grubości materiału korzystne pokrojenie, rozdrobnienie, ułożenie w cienkiej warstwie;

• usytuowanie materiału w suszarce - im materiał dalej od wlotu czynnika suszącego, tym suszy się wolniej;

• kurczenie się materiału suszonego w pierwszym okresie suszenia zmniejsza się objętość materiału, odpowiednio do ilości usuwanej wody, dalej zmiany objętości zmniejszają się, a np. dla warzyw przy 15 - 20% wilgotności brak skurczu;
  szybkie początkowe suszenie (przeciwprąd) podsuszenie powierzchni i dalsze odwadnianie prowadzi do mniejszych zmian objętości jako całości, taka otwarta struktura prowadzi do większej szybkości suszenia; pod „skorupą” tworzą się wolne przestrzenie - szczeliny produkt ma małą gęstość nasypową, łatwiej rehydratuje;
  [rys. 24.11, 24.12, 24.15]
  powolne suszenie początkowe (współprąd) - produkt kurczy się bardziej bardziej twardy; twardość i łykowatość oraz trudna rehydratacja suszonych produktów spowodowane utratą integralności komórkowej, krystalizacja polisacharydów, denaturacja białek; czasem zamrożenie i rozmrożenie produktów roślinnych przed suszeniem poprawia ich charakterystykę rehydratacyjną, także działanie ciśnienia i późniejsza dekompresja (puffing) przed suszeniem - też poprawia rehydratację;

• wilgotność powietrza suszącego (różnica psychrometryczna tj. między T suchego i T mokrego termometru, im ona wyższa, tym powietrze bardziej suche);
  im wilgotność powietrza mniejsza, tym szybsze suszenie (szczególnie dla produktów o dużej zawartości H₂O);

• temperatura powietrza - szczególnie istotna, ale dopiero w II okresie suszenia, tzn. przy ustalonej wilgotności względnej powietrza suszącego wzrost T przyspiesza suszenie dopiero w II okresie suszenia

• prędkość powietrza:

• dla produktów w cienkich warstwach szczególnie istotna w I okresie suszenia, w II mniej istotna;

• dla produktów o grubych warstwach zwiększanie tego parametru przyrost prędkości suszenia w całym jego okresie

Systemy suszenia:

1. Powietrzne suszarki okresowego działania

• urządzenie małe, wydajność niewielka

• zastosowanie ⇒ suszenie owoców, grzybów itp.

• ogrzewanie powietrza palnikiem, produkt umieszczony powyżej na sitach

• obsługa pracochłonna (uciążliwa)

• duży czas chłodzenia

• w przypadku owoców ⇒ wstępne siarkowanie (palenie S lub moczenie surowców w siarczynach), suszenie i wyrównywanie wilgotności w zamkniętych opakowaniach

• duża niejednorodność suszenia
  

2. Suszarki (tray cabinet) (działanie okresowe)

• użyteczne w skali pilotowej i małej technicznej

• w zamkniętej przestrzeni tace (dno perforowane) z warstwami produktu, napływ do wewnątrz powietrza, powietrze ogrzewane i wypuszczane; czasem między tacami wprowadza się jeszcze dodatkowe ogrzewanie, przyspiesza to suszenie, ale - niebezpieczeństwo przegrzania materiału.
  

3. Suszarki tunelowe ciągłego działania

• przeciwprądowe ( w miarę jak rośnie opór usuwania wilgoci ⇒ coraz wyższa T powietrza ⇒ wysoka T w momencie gdy produkt jest IMF ⇒ NEB (szybkie początkowe suszenie ⇒często pożądane)

• zmiennoprądowe - naprzemienne i sukcesywne
  

Suszarki walcowe:

• ciepło dostarczane do materiału suszonego z wnętrza bębna (para);

• materiał suszony musi być w formie cieczy lub zawiesiny, jest on nakładany na walec jedną z różnych metod;

• grubość warstwy materiału = f(odstęp między bębnami); tam, gdzie 2 walce = f(napięcia powierzchniowego γ i kąta styku  ; grubość warstwy - (γ cos)^3/2, roztwory wodne na metalu  ≈ 0^o cos = 1, więc im γ mniejsze, tym grubość mniejsza) czasami dodatki substancji powierzchniowo aktywnych [rys. DRUM];

• obecność tłustych warstw (filmów) na powierzchni bębna ⇒ niekorzystna, bo ↑ grubość, część bębna niewykorzystana, wolniejsze suszenie, przegrzania i niedosuszenia

• rodzaj produktu suszonego ma bardzo istotny wpływ na szybkość suszenia walcowego;

• cienkie jednorodne filmy o małej lepkości suszą się bardzo szybko (nawet do 50 lbs/hr·ft², większość produktów spożywczych ma jednak dużą lepkość szybkość suszenia ~ 1-5 lbs/hr·ft²);

• wnętrze bębna ogrzewane parą wodną pod ciśnieniem T > 100^oC, ale materiał przez większość czasu utrzymuje T ≈ T_wrz. , dopiero pod sam koniec temperatura rośnie;

• system suszenia walcowego musi być wyposażony w usuwanie oporów

• usuwanie wymuszonego materiału z bębna system nożowy, często wymaga ochłodzenia produktu (który w wysokiej T może być plastyczny) nadmuch zimnego powietrza lub chłodzenie od wewnątrz (sekcja bębna tuż przed nożem)

Zastosowanie suszenia walcowego w TŻ:
płatki ziemniaczane
instantyzowane produkty zbożowe
Zalety suszenia walcowego:
relatywnie niskie koszty eksploatacji ~ 10 ¢/lb usuwanej wody
działanie ciągłe przy relatywnie dużych wydajnościach


5. Suszarki rozpyłowe:

• najpowszechniej stosowana metoda suszenia żywności ciekłej;

• wydajności niektórych instalacji ~25 tys. kg usuniętej wilgoci /h

• zastosowanie suszenie mleka i jego przetworów (jogurt, lody, śmietana) ekstraktów kawy, herbaty, hydrolizatów i pochodnych białkowych oraz skrobiowych, jaj, krwi, soków cytrusowych i pomidorowych

• zasada ciecz, zawiesina lub pasta ulega rozpyleniu w komorze suszarki, gdzie wchodzi w kontakt z gorącym powietrzem i ulega szybkiemu wysuszeniu; suche cząstki zawieszone w powietrzu częściowo osadzają się w komorze suszarki, a ich reszta oddzielona jest w cyklonie i dalej pakowana
  [rys. 10-27]

• cały proces jest złożony pod względem inżynieryjnym, jego przebieg zależy od rodzaju suszonego materiału (η, napięcia powierzchniowego, składu chemicznego) i stosowanych parametrów suszenia

• złożoność transportu ciepła i masy:

• trudny inżynieryjny (równaniami) opis procesu

• trudność w przenoszeniu ze skali pilotowej na techniczną (scale-up)


Rozpylanie (atomizacja):

• bardzo istotny wpływ na efekt suszenia

• stopień atomizacji rozmiary kropelek

• rodzaje:

• do homogenicznych cieczy -
  wysokociśnieniowe rozpylanie przez pojedynczą dyszę
  wysokociśnieniowe rozpylanie przez dyszę w prąd powietrza drugiej dyszy (drobniejsze rozbicie)

• do niehomogenicznych zawiesin - atomizatory dyskowe ciecz wprowadzana na wirujący dysk (2000 - 20000 rpm)

• próby rozpylania z udziałem ultradźwięków

• rozkład wielkości rozpylanych cząstek = f (ciśnienia rozpylania, szybkość obrotów dysku, lepkości i napięcia powierzchniowego rozpylanej cieczy)

Wymiana ciepła i masy przy suszeniu rozpyłowym:

• złożone zjawisko i wiele zmiennych (np. T, , rozmiar cząstek)

• w I etapie suszenia temperatura kropelki rośnie do temp. wrzenia i następuje suszenie warstw powierzchniowych przy stałej dyfuzji cieczy z wnętrza kropelki

• w etapie II na powierzchni a_w maleje, a powierzchnia osiąga temperaturę wyższą od temp. wrzenia wody

• w etapie III zahamowana zostaje dyfuzja ku powierzchni

• istnieje krytyczna wilgotność produktu poniżej której powierzchnia staje się nieprzepuszczalna dla aromatów, a więc zahamowana zostaje ich dyfuzja, sprzyja temu wysoka T początkowa i współprądowe suszenie (microencapsulation - mikrokapsułkowanie)

Oddzielanie wysuszonych cząstek od powietrza:

• częściowe oddzielenie w samej suszarce

• dodatkowe oddzielenie w cyklonach

• czasem cyklony nie wystarczają stosowanie filtrów, elektrofiltrów i skruberów (drogie)

• ogólne usunięcie 95 - 98% subst. stałej - proste, ale usunięcie reszty - coraz trudniejsze i kosztowniejsze(względy odzysku produktu i ekologiczne - zanieczyszczenie powietrza)

Problemy technologiczne:

Przyklejanie się wysuszonego materiału, zawierającego dużo cukrów (soki owocowe, pomidorowe) lub zhydrolizowanego białka.

Zapobieganie:

1. specjalne dosuszanie powietrza wlotowego silikażelem

2. dodawanie do suszonych cieczy jadalnych polimerów (polisacharydy, białka)

3. dodawanie roztworu glukozy (np. do soku pomarańczowego)

4. suszenie produktu do wilgotności 2-3% H₂O brak przyklejania

5. chłodzenie ścian komory suszarni do temperatury niższej od T_{sticky point} (temperatura, w której występuje klejenie)

Aglomerowanie ciał sypkich:

• łączenie drobnych cząstek w większe o porowatej strukturze nowe cenne właściwości (brak pylenia, lepsza zwilżalność (kapilary), lepsza rozpuszczalność, mniejsza higroskopijność)

• np. mleko w proszku, ekstrakty kawy, zupy błyskawiczne

Aglomerowanie mleka chudego ⇒

1. w ostatnim etapie suszenia

2. w wysuszonym już proszku mlecznym

Ad. a)

Niedosuszony proszek (lepki) wychodzący z suszarki rozpyłowej styka się z wilgotnym gorącym powietrzem, łączy się w agregaty (> 120 μm ) dalej jest dosuszany gorącym powietrzem i oziębiany (∼ 75 % proszku ulega aglomeracji, 25 % normalne mleko w proszku)

Ad b)

Zderzanie cząstek w strumieniu powietrza w obecności rozpylonej wody lub roztworu cukru.

Obecność tłuszczu przeszkadza dodatek lecytyny (do ~0,6%), następuje dosuszanie aglomeratu w łagodnych warunkach.

6. Suszarki fluidyzacyjne:

• suszenie w warstwie pseudowrzącej

• mogą być ciągłe lub okresowe

• zasada działania podobna do zamrażalników fluidyzacyjnych (owiew gorącego, suchego powietrza)

• duża efektywna powierzchnia suszenia w relatywnie małej objętości

• dla małych cząstek suszenie może być bardzo szybkie

• główne ograniczenie wymagana jednorodność rozmiarów suszonych cząstek
  

1. Liofilizatory (freeze-drying)

• suszenie ze stanu zamrożenia

• porównanie z tradycyjnym suszeniem

---