ADATGYÜJTŐ RENDSZER FEJLESZTÉSE FAGYASZTVA SZÁRÍTÁS KUTATÁSÁRA∗ TELEKI L., TÖMÖSY L., BALÁZS T. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Vegyipari és Élelmiszeripari Gépek Tanszék 1111 Budapest, Műegyetem rakpart 3-9. D. ép. 425. Tel: 1-463-2529, Fax: 1-463-1708 e-mail:
[email protected] Összefoglaló Tanszékünk laboratóriumi fagyasztva szárító berendezését sikerült megfelelőképpen műszereznünk, úgy, hogy pontos adatokat kapjunk a szárítás alatt lejátszódó folyamatról. A fagyasztva szárítási folyamat paramétereinek mérését és szabályozását ellátó adatgyűjtő rendszer korszerű megtervezéséhez elengedhetetlenül fontos, hogy elvégezzük a vizsgált szárítási folyamat elemzését. Megoldást találtunk a szükséges érzékelők elhelyezésére és mérési tartományára, valamint a beavatkozások helyére és módjára, számszerűen ismerve a beavatkozások várható hatását. Bevezetés Napjaink egyik legkorszerűbb eljárása az oldódóképesség és a biológiai aktivitás megtartására a fagyasztva szárítás, más néven liofilezés. Ez az eljárás a megfagyasztott termék nedvességtartalmának vákuumtérben megvalósuló szublimációjából áll. Ennél fogva nagyon kívánatos eljárás az élelmiszeriparban és gyógyszeriparban, ugyanis kiváló minőségű késztermék állítható elő vele. Hátránya, hogy drága művelet, mert az energiafogyasztás durva közelítésben szinte kétszerese a konvekciós szárításnak, hiszen egyazon terméken két műveletet kell elvégezni: fagyasztást és szárítást. Ugyanakkor a berendezések beruházási költsége is magas. A magas költségekre való tekintettel többnyire laboratóriumi fagyasztva szárító berendezést használnak a fagyasztva szárítási technológiák kidolgozására, a termék minőségének kutatásában – javításában, a fellépő transzporttényezők meghatározására. Tanszékünk is laboratóriumi fagyasztva szárító berendezéssel rendelkezik, amelyet megfelelőképpen műszereztünk a szárítás-elméleti kutatásokhoz, így pontos adatokat tudunk nyerni a szárítás alatt lejátszódó folyamatról. A vizsgált szárítási folyamat elemzésének érdekében kávé, tej, tejeskávé, gombaszeletek, almaszeletek fagyasztva szárításával foglalkoztunk. A mért és számított adatok ismeretében választottuk ki a szükséges érzékelőket és azok elhelyezését, valamint a beavatkozások helyét és módját.
∗
OTKA: T 30942 támogatásával készült
A mérőműszerek elhelyezése és mérési tartományuk A megfelelő műszerezési és automatizálási megoldások kiválasztását és alkalmazását meghatározó módon befolyásolja a szabályozni kívánt folyamat, ennek megfelelően nem lehet általánosságban vizsgálni a szárítási folyamatok automatizálását. A fagyasztva szárítók főbb mért jellemzői a következők: a száradó anyag súlycsökkenése, a szárítandó anyag réteghőmérséklete, a fűtőlap hőmérséklete, a kondenzátor csőkígyó hőmérséklete, a vákuumszivattyú nyomása. Plexi fedél
tömítés
hűtő csőkígyó
hárfa tálca
minta fűtőlap mérleg-cella 1.ábra. A szárítótér belső kialakítása
Az 1.ábrán betekintést kapunk a henger alakú szárítótérbe beépített mérleg-cella, termoelem-hárfa, fűtőlap, hűtő csőkígyó elhelyezéséről. A szárítótér alján egy vastag fémlapra szereltük a mérleg-cellát. Erre helyeztük a fűtőlapot, majd a fűtőlapra helyeztük a tálcánkat. Mielőtt a mintát behelyeztük a tálcába, azelőtt a tálcában elhelyeztük a hárfát, úgy, hogy a hőelemek más-más réteghőmérsékletet mérjenek. A továbbiakban ezekről fogunk részletesebb tájékoztatást adni. A száradó anyag tömegének mérését korszerűen oldottuk meg, úgy, hogy beszereltünk a vákuum szárítótérbe egy Hottinger Baldwin Messtechnik által gyártott Z6FD1 típusú mérleg-cellát, a súlyváltozást pedig a külső térben elhelyezett WE2108 típusú műszerről olvastuk le. Ez a megoldás méréstechnikailag nagyon eredményes volt, ugyanis sikerült úgy beállítanunk a műszer elektronikát, hogy a zavaró hatások ne befolyásolják a mérés pontosságát. A szárításkor ugyanis egyszerre két rázkódást okozó gép van működésben: egy hűtőaggregát és egy vákuumszivattyú, amelyek együtt igen zavaróan hatnak a súlymérésre. Az általunk használt Z6FD1 mérleg-cella technikai adatainak rövid ismertetése: méréshatára: 5 kg tűréshatár érzékenysége: <1% hőmérsékletváltozás hatása az érzékenységre: <+0,05% hiszterézis hiba: <+0,05% túlterhelhetőség: 200% anyaga: saválló acél
A WE2108 típusú mérlegkijelző egy mérőerősítő, ami a kereskedelemben használatos nyúlásmérő bélyeges, mérlegcellákhoz illetve mérlegekhez csatlakoztatható. A mérlegcella jelét felerősíti és digitalizálja, minden egyéb feldolgozási lépés egy mikroprocesszorban digitálisan történik. Erre szolgál a számítógépre telepített beállítóprogram (WE2108 Panel), ami a mérés értékeinek megjelenítésére és konfigurálására használatos. A WE2108 szabályszerű csatlakoztatással, árnyékolt vezetékkel köthető kijelzőre és megfelel az európai szabványnak. A műszer valamennyi funkciója több módon állítható: a kezelőoldal billentyűzetével, illetve számítógépi programból RS232 illesztőn keresztül. Ezáltal számítógépre csatolva a program a beállításokat is megadja és lekérdezi az adatokat. A paraméter menüben lehet beállítani a műszer funkcióit, a méréshatárokat, a nyomtatási jegyzőkönyv alakját és kalibrálhatjuk is a mérleget. hárfa tálca
T8 T7 T6 T3 T2 T1 T9 2.ábra. A hőelemek elhelyezése a hárfán
A száradó anyag réteghőmérsékleteit egy termoelem „hárfa” segítségével mértük. Ezen szabványos réz-konstantán hőelemek vannak egy téglalap alakú műanyag kereten kifeszítve, rögzítve. Ez a száradó anyagba helyezve olyan szögben állítható, hogy a fenéktől a felszínig minden hőelem más-más réteghőmérsékletet mér. A 2. ábrán jól látható, hogy a tálca alján van elhelyezve a T9-es hőelem, ezután következnek egyenlő távolságra a többi hőelemek a T1-el kezdődően egészen a T8-ig. A fűtőlap - melynek teljesítménye 200W - és a kondenzátor csőkígyó hőmérsékletét amely elérheti a –60 °C-t – Pt100-as ellenállás hőmérő segítségével mértük. Ezeket és a termoelemeket egy THERM 3280-8M típusú precíziós mérésadatgyűjtőhöz csatoltuk és ezt a berendezést egy RS232-es port segítségével számítógépre kötöttük. A számítógépen egy Turbo Pascal nyelven írt THERMCOM nevű program van telepítve, amely az általunk kért adatokat gyűjti. A vákuum mérőegység jelét szintén a THERM 3280-8M típusú precíziós mérésadatgyűjtő berendezéssel regisztráltuk. A vákuumaggregát műszaki adatai: vákuumszivattyú teljesítménye: 5 m3/óra vákuumszivattyú típusa: Tungsram BP-06 kétfokozatú, rotációs gázballaszt szeleppel végvákuum, szívótorkon mérve: 5x10-3 torr vákuum mérőegység méréshatára: 1….103 torr piráni mérőcső típusa: H8L mérési pontosság: +10% regisztráló kimenet: 0….2mV
A THERM 3280-8M típusú precíziós mérésadatgyűjtő berendezés egyaránt képes szabványos és ismeretlen mérőeszközök villamos kimenő jelét felhasználva áram, feszültség, ellenállás, hőmérséklet, légnyomás és légsebesség, stb. adatok mérésére, tárolására. Ez a berendezés 12 csatornás, amelyek paraméterei egymástól függetlenül beállíthatók. A berendezés minden funkciója mind a kezelőfelületről, mind pedig soros vonali csatlakozón keresztül elérhető és programozható. Ezek a funkciók és paraméterek a következők: méréstartomány, dimenzió, korrekció, határérték, idő és dátum, mérési időköz, nyomtatási időköz és kimenet. Paraméter T1 T2 T3 T6 T7 T8 T9
mértékegység (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C)
Tfűtőlap Tkond
(°C) (°C)
Pvákuum
(0 … 2 V)
THERM 3280-8M
RS 232 SZÁMÍTÓGÉP RS 232 WE2108
m
(0 … 5 kg) 3.ábra. Műszerezési folyamatábra
A 3. ábrán jól követhető, hogy a súlymérést a WE2108-as műszerrel, az összes többi paramétert pedig a THERM 3280-8M mérésadat gyűjtővel regisztráltuk. Mindkét műszert – a WE2108-t és a THERM 3280-8M-t - a számítógéphez csatoltuk, majd párhuzamosan indítottuk a két programot, amelyek a beállításaink szerint gyűjtötték az adatokat. Ezeket az adatokat átmásoltuk a táblázatkezelőbe, ahonnan a meglévő adatokat fel tudtuk dolgozni. Fontos megjegyezni, hogy a két program párhuzamos futtatásához egy PC 328as számítógépet használtunk, amely eleget tett a követelményeknek. Eredmények Kávéoldat fagyasztva szárításával kísérleteztünk. Az általunk beépített műszerek segítségével az adatokat számítógép segítségével rögzítettük. Az adatok feldolgozása után a következő eredményeket kaptuk, amelyeket diagrammon ábrázoltunk.
250 200 m (g) mA Tfűtőlap Tkond T9 T1 T2 T3 T6 T7 T8
150 100 50 0 -50 -100 0
50
100
150
200
250
300
350
400
idő (perc)
4.ábra. A mért paraméterek időbeni változásai Az 4. ábrán az általunk mért paraméterek értékeinek időbeni változását ábrázoltuk. A diagrammon jól követhető a fagyasztva szárítás folyamata. Kezdetben a kávéoldat fagyott állapotban van, súlycsökkenés alig észlelhető. Viszont amikor elkezdtük fűteni alulról hővezetéssel a fagyasztott kávéoldatunkat, akkor súlycsökkenést is tapasztaltunk, majd a hárfa által mért réteghőmérsékletek is szétváltak. Jelmagyarázat:
m (g) mA (torr) Tfűtőlap (°C) Tkond (°C) T1…T9
tömeg vákuum fűtőlap hőmérséklete kondenzátor csőkígyó hőmérséklete hárfa hőelemek
súly 250 (gramm) 200 150 100 50 0 0
100
200
300
400
idő (perc)
5. ábra. A száradó anyag súlycsökkenésének időbeni változása
Az 5. ábrán jól megfigyelhető, hogy a szublimáció a száradás folyamatának kezdetekor igen intenzív, majd lassul, mert a száradó réteg vastagodása növekvő diffúziós ellenállást képez a távozó gőzzel szemben. A vákuumszivattyú folyamatosan szívja el az evakuált térben felszabaduló gázokat, a maradéknyomás egyre csökken. Amint a vákuum egyre jobb lesz, felgyorsulhatna a szublimáció, azonban ez azért nem történik meg, mert a gőz az anyag egyre mélyebb rétegeiből távozik. Állandó fűtőlap-hőmérséklet és kondenzátor hőmérséklet mellett kialakul egy közel egyensúlyi állapot, amelynél közel állandó hőmérsékleten közel állandó sebességű szublimáció és tömegcsökkenés tapasztalható. T [°C] 40 30 T1 T2 T3 T6 T7 T8 T9
20 10 0 -10 -20 -30 0
100
200
300
400 t [min]
6. ábra. A hárfa által mért réteghőmérsékletek időbeni változása A 6. ábrán jól követhető, hogy a hárfa hőelemei a szárítási folyamat elején ugyanazt a hőmérsékletet mutatták, majd a száradási front előrehaladtával más-más hőmérők váltak el a többitő. A diagrammon jól kivehető, hogy legelőször a T9-es hőelem által mért hőmérséklet kezdett el növekedni, ezt követte a T1 hőelem által mért hőmérséklet, majd a T2, egészen a T8-ig. A folyamat végén az összes hőmérséklet állandó hőmérsékletre állt be, ami arra utal, hogy a szárítási folyamat véget ért.
7. ábra. A műszerekkel és számítógéppel ellátott fagyasztva szárító berendezés A 7. ábrán a tanszékünk laboratóriumi fagyasztva szárító berendezése látható működés közben. Látható a két műszer – a WE2108 és a THERM 3280-8M – amelyek a számítógépre vannak csatolva. Következtetések Napjainkban egyre fontosabb, hogy egy adott élelmiszeripari termék a legjobb minőségű legyen, megtartsa minden jó tulajdonságát (biokémiai, fiziológiai, íz, aroma, szín), ezért a kutatók nagy hangsúlyt fektetnek arra, hogy a liofilezés, mint kiváló terméket eredményező folyamat, olcsóbb legyen, technológiai szempontból pedig olyan megoldásokat keresnek, ami hozzájárulhat a még könnyebben kezelhető berendezések kivitelezéséhez. A bemutatott mérőrendszer lehetőséget biztosított pontos, megbízható mérésekre, a szárítási művelet jobb megismerésére, a transzporttényezők megbízható kimérésére. Irodalomjegyzék: Emad Kh., Al-Shakarchi, Designing of freeze drying apparatus by self - originated devices. Proceedings of the 12th international Drying Symposium (IDS2000), paper 11, 2000 Liapis, A.I. and R. Bruttini, Freeze drying, in handbook of industrial drying, Vol.1., Marcell Dekker Inc., p.309-343, 1995 Imre László, Szárítási kézikönyv, Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1974 Tömösy, L., Theoretical and experimental investigation of freeze drying I. Periodica Polytechnica, 1981 Likov, A.V. A szárítás elmélete, Nehézipari könyv- és folyóiratkiadó Vállalat, Budapest, 1952 Nagy, I., Bevezetés a vegyipari műszerezésbe, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1980
INVESTIGATION OF MEASURMENT RANGE FROM FREEZE DRYING TELEKI L., TÖMÖSY L., BALÁZS T. Budapest University of Technology and Economics Mechanical Engineering Department of Chemical and Food Engineering 1111 Budapest, Műegyetem rakpart 3-9. D/425. Tel: 1-463-2529, Fax: 1-463-1708 e-mail:
[email protected] Freeze drying or lyophilization is an up-to-date operation characterized by the outstanding mildness of the drying process condition. It consists of freezing the material to be dried and removing its moisture content by sublimation. This procedure is desirable in the food and pharmaceutical industry because it results the best dried product quality. The disadvantage of freeze drying is the expensive operation, because we have to do two operations: freezing and drying, and the investment costs of the equipment are also high. In consequence mostly it is used in small scale, for drying expensive products. The laboratory equipments are important in elaboration of technologies in freeze drying, in research of the product quality, amelioration, in the determination of transport properties. Our department has one laboratory freeze drying equipment. We can register all the data that cames with the procedure. It’s important to analize this freeze drying procedure, because this is elementary for system designing. Es research work we have freeze dried coffee, milk, mushrooms, apples. We constructed the necesary measuring instruments, their arrangement. The automatization of this process isn’t an easy problem. The principal measured characteristics are: decrease of dried product’s weight, the temperature of dried product layer, the temperature of the heater, the vacuum, the freezing temperature. We measured with high accuracy the dried product’s weight with a load cell. This is very important because during the freeze drying two machines: the vacuum pompe and the freezer were working. The temperatures of dried product’s layers we is measured with a „harp”. This „harp” is a plastic frame what contains CuCo thermoelements.
