Cikória szárítástechnikai tulajdonságainak vizsgálata modellkísérlettel Kacz Károly – Stépán Zsolt – Kovács Attila József – Neményi Miklós Nyugat-Magyarországi Egyetem Mezőgazdaság- és Élelmiszertudományi Kar Agrárműszaki, Élelmiszeripari és Környezettechnikai Intézet 9200 Mosonmagyaróvár, Vár 2. Tel: + 96 566 635, Fax: +96566 641, E-mail:
[email protected] 1. Előzmények, célkitűzések Mosonmagyaróváron az Agrárműszaki, Élelmiszeripari és Környezettechnikai Intézet ill. jogelődjének kutatómunkájában az elmúlt két évtizedben a biológiai anyagok szárítással történő tartósításának elméleti és gyakorlati kérdései súlyozottan jelentkeztek. Az Intézet gazdája lett időközben a „Biológiai anyagok energiatakarékos minőségmegőrző szárítása, tárolása és feldolgozása” című PhD alprogramnak is. Mindenekelőtt a PhD képzés tárgyi feltételrendszerének javítása érdekében alakítottunk ki 1997-1999-es években egy korszerű számítógép vezérlésű, konvekciós hőközlésű kísérleti modellszárítót. A fejlesztést azóta is folytatjuk, megvalósítottuk a minták hőmérsékletének folyamatos mérését infrahőmérővel, valamint felszereltük CCD kamera csatlakoztató egységgel, így a száradás közbeni méret- és alakváltozás is nyomon követhető. 2001-ben kiegészítettük egy mikrohullámú egységgel, melyhez 2002-ben korszerű mikrohullámú teljesítménymérőt tudtunk beszerezni. Így a kombinált hőközlésű szárítási kísérletek végzésére is alkalmassá tettük. Mérni tudjuk az emittált mikrohullámú energia nagyságát is. Az elkészült szárítóberendezést eredményesen tudtuk felhasználni a graduális és posztgraduális oktatásban és a különböző szintű kutatómunkákban egyaránt. Jelen tanulmányban a cikória szárítástechnikai tulajdonságainak vizsgálatáról számolunk be, amelyet a PANONAGRI Mezőgazdasági Termelő és Kereskedelmi Kft, valamint a jánossomorjai MULTICIKÓRIA Kft. felkérése alapján végeztünk. A felkérők az elvégzett vizsgálatokkal kívántak mindazon szárítástechnikai tulajdonságok birtokába jutni, amelyek a meglévő aszalóberendezés üzemeltetésének javításához, valamint egy korszerű, új szárítóberendezés kiválasztásához ill. kialakításához segítséget jelenthetnek. A vizsgálatokkal célul tűztük ki a különböző előkészítési módoknál (eltérő méretű kockákra, szeletre történő aprítás, ill. gőzöléssel történő előmelegítés) nedvességleadási tulajdonságok meghatározását eltérő hőmérsékletű és sebességű szárítólevegő esetén. Külön hangsúlyt fektettünk a felületi hőmérséklet mérésére, amelyből a vízleadást megnehezítő kéregképződésre lehet következtetni. 2. Anyag és módszer A kutatómunka során a különböző vizsgálatokra az Agrárműszaki, Élelmiszeripari és Környezettechnikai Intézet Élelmiszertechnikai Laboratóriumában került sor.
– 72 –
A behozott nedves répatesteket, melynek átlagos nedvességtartalma 70 - 76 % volt, az egyes vizsgálatokig légmentesen lezárva, hűtőszekrényben tároltuk. A vékonyrétegű szárítóvizsgálatokat az 1. ábrán bemutatott korszerű, számítógép vezérlésű konvektív szárítócsatornával, nagy pontossággal lehetett elvégezni. A szárítólevegő hőmérséklete, sebessége adott határokon belül beállítható, a szárítási folyamat során értéke a számítógépes vezérlés következtében nem változik.
1. ábra. A kísérleti kombinált hőközlésű (konvektív és mikrohullámú) szárítócsatorna. A szárítócsatorna korszerű ALMEMO rendszerű mérésadatgyűjtő műszerrel és az ehhez kapcsolódó mérő-érzékelő egységekkel van felszerelve. A szárítási kísérletek során 15 s-es gyakorisággal rögzítésre kerültek a különböző szárítástechnikai paraméterek. Az anyag tömegváltozását 0,001 g pontosságú Precisa 505 M-2020 C típusú mérleggel, az anyag felületi hőmérsékletét AMIR FI 628-5 típusú infrahőmérővel mértük. A konvekciós szárítócsatornában 2001-ben 80-100 és 120ºC-os hőmérsékleten folytak a vékonyrétegű szárítási kísérletek. A szárítólevegő sebességét 1 m/s ill. 2 m/s értékre szabályoztuk be. A cikóriakockák mérete 10, 15 és 20 mm volt, de végeztünk kísérletet 7-7,5 mm élhosszúságú kockákkal is. 2003. évi vizsgálatoknál 2 m/s légsebességnél és 100 ill. 120°C hőmérsékleten dolgoztunk, a minták egy részénél a gőzöléssel történő előmelegítést is alkalmaztunk. Az összehasonlító jellegű vizsgálatok a 15 mm élhosszúságú kockákra ill. 5 x 20 mm keresztmetszetű csíkokra vonatkoztak. 3. Vizsgálatok eredményeinek bemutatása A 2001-es kísérletekről korábban beszámoltunk így a jelen tanulmányban a legfontosabb eredményekből mutatunk be néhányat. A 2. ábrán a 120ºC hőmérsékletű 2 m/s sebességű szárítólevegővel 10, 15 és 20 mm-es kockaméretnél végzett szárítási kísérletek eredményeiből a száradási sebességgörbéket mutatjuk be.
– 73 –
4 Száradási sebesség [kg/m2]
Száradási sebesség [kg/m2]
4 10 mm 3
15 mm 20 mm
2 1 0 0
1
2
3
80 °C 100 °C 120 °C
3 2 1 0 0
4
1
2
3
4
Nedvességtartalom [kg/kg]
Nedvességtartalom [kg/kg]
2. ábra. Száradási sebesség görbék eltérő kockaméreteknél (120°C, 2 m/s)
3. ábra. Száradási sebesség görbék eltérő hőmérsékleteknél (20 mm-es kocka, 2 m/s)
Megfigyelhető, hogy a kocka méretének befolyásoló hatása a vízleadásra különösen a nagyobb nedvességtartalomnál jelentkezik. Alacsonyabb nedvességtartalomnál a 10-15 mm-es kockaméreteknél közel azonos fajlagos száradási sebességértékek adódtak. A 20 mm-es kockaméretnél jelentősen csökkent a fajlagos vízleadás. A 3. ábrán a különböző hőmérsékleten végzett kísérletek száradási sebességgörbéi láthatók 20 mm-es kockaméretre vonatkozóan. Az ábrából kitűnik, hogy a szárítólevegő hőmérsékletének befolyása a vízleadásra a 100ºC alatti hőmérséklettartományban jelentősebb, mint a fölött. A 4. ábrán a 10 mm-es kockaméretnél, 120ºC-os 1 ill. 2 m/s sebességű szárítólevegővel végzett kísérletek száradási görbéit mutatjuk be. Tapasztalható, hogy a szárítóközeg sebességének csak a szárítás első szakaszában kedvező a hatása a vízleadása. Alacsonyabb nedvességtartalomnál fordított helyzet adódott, mely a korábbi gyorsabb vízleadásból adódó intenzívebb kérgesedéssel magyarázható. 120
70
10 1 m/s
60
10 2 m/s
100 Hőmérséklet [°C]
Nedvességtartalom (n. b. %)
80
50 40 30 20 10
80 60 40
80 °C 100 °C
20
120 °C
0 0
50
100
150
200
0 0
Szárítási idő (min)
4. ábra. Száradási görbék 120°C-on 10 mm-es kockaméretnél, 1 ill 2 m/s levegősebességnél
1
2 3 Nedvességtartalom [kg/kg]
4
5. ábra. A felületi hőmérséklet alakulása különböző léghőmérsékleteknél. (20 mm-es kocka, 2 m/s)
Az 5. ábrán a kockák felületi hőmérsékletének alakulását mutatjuk be 20 mm-es kockaméretnél három eltérő közeghőmérséklet mellett. A hőmérsékleti görbék alakulása is egyértelműen igazolja, hogy a cikóriakockákra viszonylag rossz vízleadás jellemző. A kockák felületi hőmérséklete már 2-3 kg/kg átlagos nedvességtartalomnál jelentősen
– 74 –
megemelkedett, ami szintén a kérgesedés kialakulására utal, így a szárítás a csökkenő száradási sebességű szakaszban történik. A 6. és 7. ábrán a 2003-ban folytatott első 8 kísérlet száradási görbéit mutatjuk be. A 15 mm élhosszúságú kockákra ill. 5 x 20 mm keresztmetszetű csíkokra darabolt cikóriát 120 ill. 100°C-on, gőzöléssel történő előmelegítés után ill. anélkül szárítottuk. 3,5
5. 120°C, -
1. 120°C, gőzölt
3
3
2. 120°C, 3. 100°C, gőzölt
2,5
Nedvességtartalom [kg/kg]
Nedvességtartalom [kg/kg]
3,5
4. 100°C, 0,136
2
4
1,5 1
1
0,5
2
3
6. 120°C, gőzölt 7.100°C, gőzölt 8.100°C, 0,136
2,5 2 1,5 1 0,5
6
5
8 7
0
0 0
50
100
150
200
0
Szárítás idő [min]
6. ábra. Száradási görbék alakulása 15 mm-es kockáknál.
50
100 Szárítási idő [min]
150
200
7. ábra. Száradási görbék alakulása 5 x 20 mm keresztmetszetű csíkoknál.
Az ábrák alapján megállapítható, hogy a vízleadás intenzitása és a szárítási idő szempontjából a gőzöléssel történő előmelegítésnek gyakorlatilag nincs jelentősége. Ugyanakkor a kockázáshoz képest a szeleteléssel történő előkészítéssel illetve a szárítólevegő hőmérsékletének 100°C-ról 120°C-ra emelésével jelentősen megnőtt a vízleadás üteme, és csökkent a szárítási idő. A 8. ábrán a fenti kísérletek száradási görbéit összehasonlító jelleggel mutatjuk be, két-két kísérlet eredményét átlagoltuk. A 9. ábrán az átlagolt értékekhez tartozó száradási sebességgörbék láthatók. A szeletnél a száradási sebesség a szárítás folyamán végig magasabb, mint a kockánál, ezzel magyarázható a szárítási idők jelentős eltérése. 6
Száradási sebesség [kg/kg]
Nedvességtartalom (sz. b.) [kg/kg]
3,5
kocka 120°C (1,2) kocka 100°C (3,4)
3
szelet 120°C (5,6) szelet 100°C (7,8)
2,5 2
3,4
1,5 1
5,6
7,8
4
5,6
3 2 1
1,2
3,4
0
0,5
0
1,2 50
100
Szárítási idő [min]
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Nedvességtartalom (sz.b.) [kg/kg]
7,8
0 0
5
150
200
kocka 120°C (1,2) szelet 120°C (5,6)
kocka 100°C (3,4) szelet 100°C (7,8)
8. ábra. Száradási görbék (120°C, 2 m/s) 9. ábra. Átlagolt száradási sebességgörbék. További 3 ismétléses kísérlet sorozatokat folytattunk le 120°C hőmérsékletű levegővel, melyeknél 1-1 esetben gőzöléssel történő előmelegítést is alkalmaztunk. Az eredmények teljes mértékben a fentiekkel azonosak voltak, így a 15 mm-es kockánál és a 5 x 20 mm-es szeletnél 5-5 mérés átlagolásával rajzolhattuk meg a száradási sebességgörbéket (10. ábra). A száradási görbék egyenleteinek meghatározása
– 75 –
érdekében kiszámítottuk az átlagolt nedvességarány értékeket. Ezen értékek alakulása a szárítási idő függvényében a 11. ábrán látható. Nedvességarány (X-X e /X0-Xe )
1,2
Száradási sebesség [kg/kg]
6 5 4
szelet
3 2 1
1 0,8 0,6
kocka
0,4 0,2
kocka
szelet
0 0
0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
20
40
60
80
100
120
Szárítási idő [min]
4
Nedvességtartalom (sz.b.) [kg/kg]
)
10. ábra. Átlagolt száradási sebességgörbék. 11. ábra. Nedvességarány alakulása (120°C, 2 m/s) a szárítási idő függvényében.
A nedvességarány értékek felhasználásával meghatároztuk a száradási görbék közelítő egyenleteit a következők szerint:
ln
X − Xe = a ⋅tb X0 − Xe
és b
X = ( X − X e ) ⋅ e a⋅t + X e Ahol: X – pillanatnyi nedvességtartalom (sz. b.) [kg/kg] X0 – indulási nedvességtartalom (sz. b.) [kg/kg] Xe – egyensúlyi nedvességtartalom (sz. b.) [kg/kg] t – szárítási idő [min] a és b – állandók A kockára és szeletre vonatkozó mért és számított száradási görbéket 12. ábrán mutatjuk be feltüntetve az egyenleteket is.
– 76 –
Nedvességtartalom, sz.b., (X) [kg/kg]
3.5
1.0922
Xkocka=-0,01793⋅t
3
2
r =0.998
2.5
1.38
Xszelet=-0,0087⋅t 2
2
r =0.998
1.5 1 Kocka
0.5
Szelet
0 0
20
40 60 80 Szárítási idő [min]
100
120
12. ábra. Mért és számított száradási görbék (120°C, 2 m/s) A minták felületi hőmérsékletének alakulását 4 kísérletnél mutatjuk be, példaképpen a 13. ábrán. A kockára vonatkozó két görbénél megfigyelhető a magas nedvességtartalomnál bekövetkező hirtelen hőmérsékletemelkedés, ami az erőteljes kérgesedés kialakulásával magyarázható. Megfigyelhető továbbá, hogy gőzöléses előkészítésnél ez a jelenség valamivel kisebb nedvességtartalomnál következik be. Szelet esetén a minták felületi hőmérsékletének emelkedése jóval kisebb ütemű, és csak a szárítás végső szakaszában haladja meg a 75-80°C-t. 140
szelet gőzölt (9) kocka gőzölt (10)
Hőmérséklet (°C)
120
kocka natúr (12)
100
szelet natúr (13)
80
120 °C
60 40 20
10
12
13
0 0
1
2
9
3
4
Nedvességtartalom (X)
13. ábra. Felületi hőmérséklet alakulása a nedvességtartalom függvényében.
– 77 –
4. Következtetések A cikória szárítását befolyásoló szárítástechnikai paraméterek vizsgálatára lefolytatott kísérletek eredményeinek kiértékelése alapján levonható következtetések: -
-
-
-
-
A szárítólevegő hőmérsékletét célszerű minimum 100°C-ra megválasztani, előnyösebb a 120ºC. A kockák javasolható maximális mérete 15 mm. Kisebb méretek esetén a fajlagos vízleadási érték (kg/m2) jelentősen nem változik, ugyanakkor a felületnövekedés miatt a szárítási idő lényegesen kisebb lesz. A 15 mm élhosszúságú kockával szemben az 5 x 20 mm-es szeletre történő darabolással a vízleadás jelentősen növelhető, a szárítási idő csökkenthető. A szárítóközeg sebességnövelésének csak a szárítás első szakaszában kedvező a hatása a vízleadásra. A bekövetkező erőteljesebb kéregképződés később mérsékli a vízleadást, ami összességében a szárítási idő növekedéséhez is vezethet, amennyiben alacsonyabb nedvességtartalmú végtermék előállítás a cél. A gőzöléssel történő előkészítés (előmelegítés) hatása a szárítási folyamatra nem jelentős. A nedvességfelvételből és a magasabb induló hőmérsékletből következően a szárítás első szakaszában kismértékben nő a vízleadás, azonban ez az előny a szárítási idő tekintetében már nem jelentkezik. A cikóriakockák rossz vízleadó tulajdonságára utal a felületi hőmérsékletük alakulása is. A kialakuló kéreg miatt korlátozódik a vízleadás, így a kockák felületi hőmérséklete már nagyobb nedvességtartalom mellett is jelentősen megemelkedik. Kockázáshoz viszonyítva a szeleteléses előkészítés a felületi hőmérséklet alakulása szempontjából is kedvezőbb, kockára történő darabolásnál erőteljesebb kérgesedés következik be, már 50-60 % átlagos nedvességtartalomnál, így a felületi hőmérséklet kb 10°C-al magasabb, mint a szeletelt anyagnál. A kockák gőzöléssel történő előmelegítésével a kérgesedés kialakulása, ezzel a felületi hőmérséklet erőteljesebb emelkedése kismértékben később következik be.
– 78 –
