Přímý ohmický ohřev potravin Ing. Jaromír Štancl Vedoucí práce: Prof. Ing. Rudolf Žitný, CSc.
Abstrakt Přímý ohmický ohřev je moderní metoda termického ošetření potravinářských látek. Teplo je v ohřívané potravině generováno přímo průchodem elektrického proudu v důsledku jejího elektrického odporu. Přednosti přímého ohmického ohřevu jsou jeho vysoká rychlost a snadná možnost řízení a monitorování. Tyto vlastnosti předurčují nasazení této technologie v aplikacích pasterizace a sterilizace potravin. Nasazení však stále komplikují problémy spojené s touto technologií, jako např. doprovodné elektrochemické děje spojené s korozí elektrod, nejasné příčiny tvorby úsad potraviny na elektrodách a nevyjasněné děje na rozhranní potravina- elektroda. Cílem příspěvku je prezentovat dosud získané výsledky výzkumu v oblasti přímého ohmického ohřevu tuhých a tekutých potravin, jako jsou: vliv materiálu elektrod, vliv operačních parametrů, vliv napájení, přítlačného tlaku, problematika tvorby úsad ad. Cílem práce je objasnit mechanismus tvorby úsad tekutých i tuhých potravin v souvislosti s elektrochemickými ději, kvalitou povrchu elektrod a operačních parametrů. Klíčová slova Přímý ohmický ohřev; koroze elektrod; pasterizace; sterilizace; ohřev potravin; přítlačný tlak; úsady
1. Úvod Cílem tepelných procesů v potravinářském průmyslu v oblasti sterilizace či pasterizace potravin, je zajistit jejich mikrobiální bezpečnost a současně co nejvíce zachovat její nutriční hodnoty. K zajištění mikrobiální bezpečnosti ošetřované potraviny je nutné zahřát potravinu na pasterizační teplotu a zajistit požadovanou výdrž na této teplotě. Z hlediska zachování kvality potraviny, která je v důsledku tepelného zpracování degradována (např. termická denaturace vitamínů), je naopak požadována co nejmenší tepelná expozice potraviny. Je tedy výhodnější zahřát potravinu na co nejvyšší teplotu (UHT), kdy lze významně snížit dobu výdrže na teplotě – tím dojde k požadovanému ošetření z hlediska mikrobiální bezpečnosti s minimálním narušením nutričních hodnot. Ovšem technická realizace aparátu, který by tyto požadavky splnil, je užitím standardních metod problematická (používá se např. přímý vstřik sterilní páry do tekuté potraviny atp.). Přímý ohmický ohřev je technologie, která je díky svým vlastnostem vhodná k zajištění UHT ošetření. Při přímém ohmickém ohřevu je teplo v ohřívané potravině generováno vlivem průchodu elektrického proudu přímo elektricky vodivou potravinou v důsledku jejího elektrického odporu. Výhodou této metody je velmi rychlý ohřev potraviny na vysokou teplotu a rovněž jednoduchý způsob řízení ohřevu. Nevýhody jsou pak spojeny s doprovodnými elektrochemickými ději, způsobujícími elektrochemickou korozi elektrod, tvorbou úsad potraviny na elektrodách a nejasný vliv elektrického proudu na potravinu. První patent průtočného pasterizačního zařízení se objevuje v USA již v roce 1897 – Jones (1897). Metoda přímého ohmického ohřevu byla znovu objevena na konci 20. století, kdy se stala předmětem četných studií - Stirling (1987); Skudder a Biss (1987); Zhang a Fryer (1993); Zareifard et al. (2003); Icier a Ilicali (2005) a to v širokém spektru aplikací. Práce Samaranayake a Sastry (2005), Amatore et al. (1998), Samaranayake et al. (2005) se zaměřily na problém elektrochemické koroze během přímého ohmického ohřevu, Ayadi et al. (2004) zase na problém tvorby úsad na elektrodách. V současné době však spousta otázek spojených s přímým ohmickým ohřevem zůstává stále nezodpovězena, jako vliv materiálu a povrchu elektrod, vliv napájecí frekvence a tvaru pulsů, děje na rozhranní potravina-elektroda a příčiny tvorby úsad. Možné konkrétní aplikace metody přímého ohmického ohřevu se nabízejí spíše v průmyslovém měřítku při realizaci procesu UHT sterilizace. Další využití lze najít v provozech typu fastfood (např. výroba hamburgerů) a díky své jednoduchosti i v oblasti kosmického výzkumu při přípravě pokrmů přímo ve vhodných obalech. 2. Popis experimentů, použité materiály Pro výzkum v oblasti přímého ohmického ohřevu byla sestavena laboratorní aparatura pro přímý ohmický ohřev tuhých potravin a laboratorní aparatura pro přímý ohmický ohřev tekutých potravin průtočně. V rámci provedených experimentů byl zkoumán vliv materiálu elektrod a některých operačních parametrů (počáteční hustota elektrického proudu, vstupní teplota látky, průtok média) na tvorbu úsad při přímém ohmickém ohřevu mléka – Štancl a Žitný (2010a), vliv kvality povrchu elektrod a vliv přítlačného tlaku, tloušťky vzorku a napájecího napětí a jeho frekvence na rychlost ohřevu plátku sekané.
2.1. Sestavení aparatury pro průtočný přímý ohmický ohřev tekutých potravin Tato aparatura je používána především ke studiu tvorby foulingu během přímého ohmického ohřevu mléka. Aparatura se skládá s vlastního průtočného ohmického ohřívače, který je tvořen tělesem, v němž je umístěna dvojice elektrod. Elektrody o rozměrech 220x30 mm vytvářejí obdélníkový kanál, jímž protéká ohřívaná potravina. Elektrody jsou izolovány mimo malou obdélníkovou část uprostřed ohřívače (aktivní plocha S = 0,0012 m2) z důvodu stabilizace proudu a dosažení relativně vysokých hodnot hustoty elektrického proudu (okolo J = 2500 A.m-2) i při použití malého laboratorního napájecího zdroje. Vzdálenost elektrod je volena jako fixní 10 mm. Z důvodu relativně malého výkonu ohřívače je systém doplněn temperovanou nádobou pro předehřev mléka na teplotu pasterizace. Měřeny jsou teploty na vstupu a výstupu tekutiny z ohřívače, tepoty obou elektrod a teplota v temperanční nádrži. Teploty jsou měřeny sondami Pt100, pomocí převodníku snímány měřící ústřednou Agillent (Agillent inc., USA) do PC. Elektrické veličiny (napětí, proud a příkon) jsou měřeny elektronickým wattmetrem ZES LMG95 (Zes Zimmer GmbH, Německo) a načítány do PC přes rozhranní GPIB. Průtok je měřen indukčním průtokoměrem. Sestavení aparatury je patrné z obrázku 1, na obrázku 2 je fotografie průtočného ohmického ohřívače. K zjištění vlivu materiálu elektrody na rychlost tvorby úsad byly použity elektrody z nerezové oceli, elektrody z nerezové oceli povlakované titan-nitridem a elektrody grafitové. Experimenty byly prováděny pro 3 různé hodnoty průtoku tekutiny (ovládáno pomocí šoupěte), 3 různé počáteční teploty tekutiny (65, 70 a 75 °C) a 3 různé počáteční hodnoty elektrického proudu. Experiment byl ukončen při poklesu elektrického proudu pod 0,8 A, nebo po uplynutí 3h. Ohřívanou látkou bylo konzumní mléko (Olma, ČR) ošetřené šetrnou pasterizací – objem 5 l proudící v uzavřené smyčce. K napájení bylo použito střídavé napětí cca U = 24 V / 50 Hz.
Obr. 1 Sestavení aparatury pro průtočný přímý ohmický ohřev tekutých potravin
Obr. 2 Průtokový ohmický ohřívač pro průtočný přímý ohmický ohřev tekutých potravin 2.2. Sestavení aparatury pro přímý ohmický ohřev pevných potravin – vliv přítlačného tlaku na rychlost ohřevu plátku sekané Zařízení pro přímý ohmický ohřev se sestává z dvojice deskových elektrod z nerezové oceli. První elektroda je pevně uchycena k přípravku, druhá elektroda je pohyblivá. Posuvný pohyb elektrody je umožněn pohyblivým vozíkem umístěném na přípravku, jehož pohyb je ovládán táhlem vedeným přes kladku. Na táhlo jsou zavěšována závaží, které zajistí požadovaný přítlak elektrod k ohřívané potravině – viz obr. 3. Generátor fcí Wavetek
Zesilovač 2,4 kW ΔU Pohyblivá elektroda
Vozík Kladka
Pevná elektroda Závaží
DAQ Agillent Neoptix Reflex
ohřívaná potravina
Digitální osciloskop
Obr. 3 Schéma aparatury pro přímý ohmický ohřev tuhých potravin Vzorek tuhé potraviny (sekané) o rozměrech 20 x 20 mm a tloušťce h = 1 a 2 cm byl vložen mezi elektrody a na táhlo bylo zavěšeno závaží. Teplota uvnitř vzorku potraviny byla měřena optovláknovými snímači Reflex (Neoptix, Kanada) a to v geometrickém středu, u okraje a mezi okrajem a středem vzorku. Elektrody byly napájeny běžným střídavým napětím 24 a 48 V. Pro napájení byla sestavena soustava, která umožňuje plynulé nastavení frekvence i tvar napájecího napětí. Napájecí soustava byla tvořena generátorem signálu Wavetek 184 (Wavetek, USA), jehož výstupní signál byl přiveden na vstup signálu výkonového audiozesilovače Dynacord SL2400 (Dynacord Gmbh, Německo). Zesílený výstupní signál z audiozesilovače byl připojen přímo k elektrodám ohmického zařízení. Elektrické veličiny
byly měřeny elektronickým wattmetrem ZES LMG 95 (ZES Zimmer GmbH, Německo). Dále byla snímána teplota obou elektrod pomocí nalepovacích termočlánků typu T. K zjišťování tvaru napájecího napětí a jeho frekvence byl k elektrodám připojen digitální osciloskop.
Obr. 4 Přímý ohmický ohřev vzorku sekané během experimentu – vpravo sestava aparatury, vlevo detail ohřívaného vzorku Pro účely experimentů bylo dále nutno vyvinout recepturu zkoumaného materiálu – sekané a vytvořit dostatečnou dávku vzorků. Cílem bylo mít k dispozici dostatek shodných vzorků k provedení experimentů a vyloučit tak vliv neshodnosti šarží komerčních výrobků. Receptura vycházela z tradičních receptů klasického českého pokrmu sekané, pro dosažení vyšší homogenity však byl recept modifikován přidáním bramborového škrobu a hladké mouky. Suroviny použité k přípravě vzorku: maso hovězí (70 % z masné složky), maso vepřové – vepřová plec (30 % z masné složky), vejce, mléko, voda, cibule restovaná na tuku, česnek, houska, hladká mouka, bramborový škrob, sůl, pepř černý, majoránka, polévkové koření. Maso bylo pomleto, přidány ostatní suroviny a vše bylo důkladně promícháno. Hotová směs byla ještě dále homogenizována a balena do sáčků po 0,5 kg a zmrazena. Před prováděním experimentů byl vzorek rozmrazen (mikrovlnný ohřev 90W / 3min.) a 50 minut pečen, aby bylo dosaženo denaturace bílkovin v celém vzorku. Experimenty byly prováděny až po vychladnutí vzorku na pokojovou teplotu. Rozbor použitého materiálu a jeho termofyzikální parametry ukazuje následující tabulka:
Tab. 1 Rozbor vzorku sekané a jeho termofyzikální parametry (cp získáno z modelu na základě složení vzorku pomocí nástroje CosTherm)
3. Shrnutí výsledků experimentů 3.1. vliv materiálu elektrod na tvorbu úsad při přímém ohmickém ohřevu mléka Na obr. 5 je vidět typický průběh elektrického příkonu ohřívače na čase a v tabulce 1 jsou uvedeny odpovídající doby s přibližně konstantním elektrickým příkonem (lag-fáze).
Obr. 5 Vliv hustoty elektrického proudu a materiálu elektrod na rychlost tvorby úsad mléka na elektrodách Tab. 2 Doby trvání lag-fáze pro různé materiály elektrod tlg [s] nerezová ocel J=2000 A·m-2 J=2500 A·m-2 J=3030 A·m-2
2860 1340 165
tlg [s] nerezová ocel s TiN povlakem 4650 4770 820
tlg [s] grafitová elektroda 10800 10800
Časový průběh elektrického příkonu lze rozdělit na 2 úseky – úsek s přibližně konstantním elektrickým příkonem (lag-fáze) a úsek rychlého poklesu příkonu. Doba nástupu fáze rychlého poklesu je ovlivněna operačními parametry (průtokem média, teplotou média a proudovou hustotou. Získané výsledky ukazují silný vliv materiálu elektrod a významný vliv proudové hustoty. Výsledky experimentů ukazují, že probíhající elektrochemická koroze může být stejně důležitá, jako denaturace syrovátkových proteinů.
3.2. vliv kvality povrchu elektrod na tvorbu úsad při přímém ohmickém ohřevu mléka Na obr. 6 je vidět průběh elektrického výkonu při ohřevu mléka průtočným přímým ohřevem pro různé kvality povrchu elektrod. Byly použity elektrody s leštěným povrchem (modré káry), brošeným povrchem (červený čtverec), povrchem s uměle vytvořenými hlubšími rýhami vertikálně – kolmo k toku média (zelený trojúhelník) a horizontálně – rovnoběžně s tokem média (žlutý kruh). Materiál elektrod byl nyní shodný – nerezová ocel 17 240.
Obr. 6 Vliv kvality povrchu nerezových elektrod na rychlost tvorby úsad mléka na elektrodách Tab. 3 Doby trvání lag-fáze pro různé povrchy elektrod
Electrode t85 [s]
Polished surf. 550
Grinded surf. 420
Vertical scratches Horiz. scratches 320 380
Experimetny vykazují dosti podobný průběh elektrického výkonu pro různé povrchy elektrod a to na úrovni chyby měření. Z toho vyplývá, že singularity v elektrickém poli hrají pouze velmi malou roli při tvorbě úsad během přímého ohmického ohřevu mléka. Mnohem závažnější jsou tedy elektrochemické procesy, k nimž dochází na rozhranní elektroda – potravina.
Obr. 7 Elektrody na konci experimentu
Obr. 8 Porovnání finální hmotnosti úsad na elektrodách na konci experimentu
3. 3. vliv přítlačného tlaku na rychlost ohřevu plátku sekané V grafu na obrázku 9 je vidět časová závislost teploty v geometrickém středu plátku sekané pro různé hodnoty přítlačného tlaku. Z obrázku 6 je vidět, že s rostoucím přítlačným tlakem roste i rychlost ohřevu ale pouze do přítlaku p = 7,36 kPa. Při dalším zvyšování přítlaku na elektrody se rychlost ohřevu mění - klesá a to v důsledku akumulace tuku na rozhranní elektroda – vzorek, který je zvýšeným přítlakem vytlačen.
Obr. 9 Vliv přítlačného tlaku na rychlost ohřevu – teplota měřena v geometrickém středu vzorku Z výše uvedeného grafu je vidět, že rychlost ohřevu závisí na kvalitě kontaktu elektrody a potraviny. Pro zatížení nad p = 7,36 kPa je již kontakt natolik dobrý, že další zvyšování přítlaku již není nutné. V experimentech prováděných na tuhých potravinách byla dále ověřena silná závislost na tloušťce vzorku (tj. vzdálenosti obou elektrod), kdy se snižující se vzdáleností elektrod rychlost ohřevu rapidně roste. Podobně roste rychlost ohřevu i se zvyšujícím se napájecím napětím a rovněž i elektrické vodivosti vzorku. K zajištění reprodukovatelnosti měřených dat byl každý experiment 3 – 4x opakován při shodných podmínkách. Reprodukovatelnost měření byla přijatelná, nejčastěji ovlivněna drobnými odchylkami v rozměrech vzorku v důsledku elastičnosti materiálu vzorku a rovněž v důsledku jeho nehomogenity. Ukázka shody opakovaných měření je znázorněna na následujícím obrázku – obr. 10. Směrodatné odchylky jednotlivých měření shrnuje následující tab. 4.
Obr. 10 Časová závislost teploty v geometrickém středu vzorku pro první sérii experimentů při přítlaku p=4,91 kPa
Tab. 4 Statistická zhodnocení experimentů Veličina Teplota v geometrickém středu vzorku Výkon ohřevu P Hmotnost vzorku h=20 mm Hmotnost vzorku h=10 mm
Rozsah s 1,6 – 4,7 °C 2,02 – 3,15 W
s průměrná 3,88 °C 2,32 W 0,42 g 0,23 g
Následující graf (obr. 11) ukazuje průběh měrné elektrické vodivosti vzorku v závislosti na teplotě. K zurčení měrné elektrické vodivosti vzorku byly použity změřené volt-ampérové charakteristiky během experimentu na základě rovnice (1). (1)
Obr. 11 Teplotní závislost měrné elektrické vodivosti κ vzorku pro různě volený přítlak elektrod Z obr. 11 je patrný téměř lineární průběh elektrické vodivosti v závislosti na teplotě – tedy v použitém rozsahu Tcenter = 30 – 100 °C. Na průběh má významný vliv především teplota uvnitř vzorku, ale také velikost přítlaku elektrody ke vzorku potraviny – vyšší přítlak elektrody ke vzorku zlepšuje kontakt elektrody se vzorkem, a to do hodnoty přítlaku p = 7,36 kPa. Pro vyšší hodnoty přítlaku dochází k určitému poklesu díky vylisování tuku a jeho akumulaci na rozhranní elektroda – vzorek, což negativně ovlivní kvalitu kontaktu. Měrná elektrická vodivost nabývala hodnot κ = 1,57 S.m-1 pro teplotu uvnitř vzorku 30 °C a κ = 4,9 S.m-1 pro teplotu uvnitř vzorku 100 °C. Tyto vyšší hodnoty měrné elektrické vodivosti vzorku jsou způsobeny obsahem soli ve vzorku. Další graf na obr. 12 znázorňuje vliv napájecí frekvence pro sinusový průběh se střídou 1:1 na časový průběh elektrického výkonu ohřevu. Experimenty byly provedeny s frekvencí sinusového průběhu elektrického proudu f = 50 Hz až 10 kHz. Z grafu je vidět klesající trend výkonu ohřevu s rostoucí frekvencí elektrického proudu. To je způsobeno elektromagnetickými ději ve vodivé soustavě, kdy v důsledku tzv. skin-efektu (indukované napětí je více vyvinuté ve střední části vodiče, než u okrajů vodiče, z toho vyplývá vyšší hustota elektrického proudu v okrajových částech vodiče). Z tohoto důvodu ze zvyšující se frekvencí elektrického proudu roste i elektrický odpor vodiče.
Obr. 12 Časová závislost elektrického výkonu P ohřevu pro různě volené frekvence elektrického proudu Aplikací vyšší fekvence elektrického proudu byl zaznamenán pozitivní vliv i na vlastní ohřívaný vzorek. Při použití frekvence elektrického proudu 50 Hz pro ohřev vzorku, ohřátý vzorek jednak vykazoval utvoření tmavší kůrky v místech styku s elektrodou, navíc docházelo k tvorbě nápeku vzorku na elektrodu. Při zvýšení frekvence elektrického proudu na 10 kHz bylo docíleno rovnoměrné barvy vzorku a celkové redukce nápeku vzorku na elektrodu – viz následující fotografie – obr. 13.
Obr. 13 Srovnání výsledného produktu po ohřevu s frekvencí elektrického proudu 50 Hz a 10 kHz
4. Diskuze, návrh možností aplikace přímého ohmického v průmyslu 4.1 Singularity v elektrickém poli V důsledku drsnosti povrchu elektrody (ostré hrany) mohou vznikat na ostrých hranách a nerovnostech singularity v elektrickém poli, což může vést k lokálnímu přehřátí ohřívané potraviny a tím i k aktivnější tvorbě nápeků potraviny na elektrody. Vliv singularit elektrického pole při ohřevu kapalných potravin je předmětem současného výzkumu. Z modelu, který byl publikován v časopise Štancl, Nový, Žitný (2008) je vidět, že projev singularit je významný při hrubších rýhách větší hloubky, než v případě úrovně drsnosti povrchu materiálu. Ověření výše uvedeného matematického modelu bylo předmětem studie při přímém ohmickém ohřevu mléka. V zařízení sloužící ke zkoumání tvorby foulingu při přímém ohmickém ohřevu mléka byly provedeny experimenty s různými povrchy elektrod. V experimentech byly použity elektrody z nerezové oceli s povrchem leštěným (nejkvalitnější povrch), povrchem broušeným (simulace náhodných nerovností na úrovni drsnosti povrchu) a uměle vytvořené hlubší rýhy a to ve směru toku a kolmo na směr toku. Cílem těchto experimentů bylo určit vliv kvality povrchu na tvorbu foulingu, tedy vlastně do jaké míry se projevuje v tomto procesu vliv singularit elektrického pole. Z výsledků uvedených výše je vidět dosti podobný průběh elektrického výkonu pro všechny experimenty. Nejmenší vliv singularit byl zaznamenán pro elektrody s leštěným povrchem. Iniciace tvorby foulingu nastávala prioritně v místech utvořených rýh, což však může souviset s nedostatečnou pasivací povrchu elektrody v místě vytvořené rýhy. Vliv singularit v elektrickém poli na tvorbu foulingu mléka při přímém ohmickém ohřevu má vliv na proces tvorby foulingu mléka, ale tento vliv je pouze minoritní vzhledem k elektrochemickým dějům v soustavě elektroda-elektrolyt. 4.2 Elektrochemická koroze elektrod během ohřevu Elektrochemické reakce v systému elektroda – elektrolyt (redoxní reakce a proces elektrochemické koroze) začnou vznikat po připojení napájecího napětí. Následující rovnice, které sumarizoval Assiry et al. (2006) popisují elektrochemickou korozi nerezové oceli: 1. Elektrolytický rozklad vody: Katoda (C): Anoda (A): Celkově:
(1) (2) (3)
2. Koroze nerezové oceli: Katoda (C): Anoda (A):
(4) (5) (6) (7) (8)
Kov migrující z elektrody do ohřívané potraviny může být oxidován a tím iniciovat další sekundární reakce. Např. Fe2+ nebo Fe3+ mohou působit jako katalyzátor. Následující obrázek
14 ukazuje fotografii elektrody po skončení fouling-experimentu při přímém ohmickém ohřevu mléka, obr. 15 ukazuje elektrodu po zkušebním měření plátků uzenin, obr. 16 naopak vlastní vzorek drůbeží sekané s patrným nápekem v místě připojení elektrody.
Obr. 14 Elektrody po experimentu tvorby úsad mléka
Obr. 15 Elektroda po ohřevu kousku uzeniny (nerez)
Obr. 16 Snímek vzorku sekané po skončení experimentu Elektrochemickou korozi vznikající během ohřevu lze potlačit volbou velmi ušlechtilého materiálu elektrody (zlato, platina), nebo volbou vhodného časového průběhu elektrického proudu o frekvencích vyšších, než 50 Hz (řádově desítky kHz). Pozitivní efekt vyšší napájecí frekvence je znám již delší dobu - Samaranayake and Sastry (2005), detailnější studie prováděla Samaranayake et al. (2005). K potlačení koroze elektrod byl v rámci výzkumu vyvinut nový napájecí zdroj, který umožní rovněž i nastavení časového průběhu elektrického proudu vhodným časováním napěťových
pulsů – samotné pouhé zvýšení napájecí frekvence je nedostatečné. Nesprávnou volbou časování lze naopak docílit i urychlení elektrochemické koroze. Napájecí zdroj je založen na čtveřici MOSFET tranzistorů zapojených v plném mostu. Pro vlastní realizaci byl zakoupen výkonový audiozesilovač, jehož koncový stupeň je právě tvořen výkonovými tranzistory v můstkovém zapojení. Výhodou tohoto řešení je vestavěná ochrana proti přetížení a zničení koncového stupně, nevýhoda je však v určitém zkreslení signálu vestavěným předzesilovačem. Audiozesilovač je schopen pracovat do výstupní impedance 2 Ω, výstupní výkon je až 2,4 kW, maximální výstupní napětí 90 V, maximální řídicí napětí 1V. Zdrojem signálu, jímž je nastavován časový průběh elektrického proudu, je komerční generátor funkcí WAVETEK, (Wavetek Inc., USA). Signál z generátoru je přiveden na vstup audiosignálu výkonového audiozesilovače, elektrody ohřívače jsou připojeny přímo k audiovýstupu tohoto zesilovače. Výstupní napětí je nastavováno kombinací velikostí výstupní amplitudy generátoru signálu a zesílením vlastního zesilovače. Časový průběh elektrického proudu je sledován prostřednictvím digitálního osciloskopu připojeného k elektrodám ohmického ohřívače.
Obr. 12 časování průběhu elektrického proudu 4.3 Další pokračování výzkumu v oblasti přímého ohmického ohřevu Ke splnění cílů a ověření výše uvedených předpokladů se předpokládá následující orientace pokračovacích prací: V oblasti přímého ohmického ohřevu tuhých potravin Experimentálně byly ověřeny vlivy operačních parametrů při přímém ohmickém ohřevu průmyslově vyráběného vzorku sekané, jejíž složení je sice známo, avšak není zcela přesně definováno, i sekané vyrobené pro tento účel přesně dle určené receptury (přesně definovaného složení). Experimentálně byl rovněž ověřen vliv frekvence elektrického proudu, kde byl zjištěn vliv na výkon ohmického ohřívače – s rostoucí frekvencí výkon ohmického ohřívače klesá. Dále bude použito nového napájecího zdroje tvořeného generátorem signálu a
výkonovým zesilovačem a provede se ověření pro přesně definovaný časový průběh elektrického proudu s cílem nalézt takový průběh, který maximálně minimalizuje elektrochemické korozní děje v potravině. K identifikaci bude využito laboratorních rozborů na obsah typických prvků (Cr, Ni, Fe). V oblasti ohmického ohřevu tekutých potravin K ověření hypotéz publikovaných v dřívějších pracech byly prováděny foulingové experimenty s elektrodami s různou kvalitou povrchu (leštěný povrch, broušený povrch, umělé rýhy). Cílem bylo experimentálně ověřit vliv singularit elektrického pole na mechanismus tvorby úsad a ověřit tak předpoklady získané na základě matematického modelu. Další plánované foulingové experimenty budou prováděny s nově vyvinutým napájecím zdrojem, kde bude cílem, podobně jako u tuhých potravin, určit vliv časování průběhu elektrického proudu na proces tvorby úsad. 5. Závěry Provedené experimenty ukazují v případě tvorby úsad mléka na elektrodách silný vliv materiálu elektrod a hustoty elektrického proudu. I při ohřevu tuhých potravin přímým ohmickým ohřevem se objevuje kovový zápach ohřáté potraviny. Tyto výsledky ukazují na vznikající elektrochemickou korozi elektrod během přímého ohmického ohřevu. Určité potlačení koroze elektrod je možné vhodnou volbou časového průběhu elektrického proudu a frekvence napájecího napětí (v jednotkách kHz). Význam vlivu singularit v elektrickém poli při přímém ohmickém ohřevu hraje roli v procesu tvorby foulingu mléka na elektrodách, avšak vzhledem k elektrochemickým procesům, je tento vliv pouze minoritní. Současné a další práce se orientují na ověření vlivu časového průběhu elektrického pole na korozi elektrod a mechanismus tvorby foulingu.
Symbolika cp Měrná tepelná vodivost vzorku f Frekvence elektrického proudu h Tloušťka vzorku I Elektrický proud J Hustota elektrického proudu p přítlak P Elektrický příkon S Plocha t procesní čas tlg, t85 lag-fáze (doba trvání lag-fáze)
[J.kg-1.K-1] [Hz] [m] [A] [A.m2] [Pa] [W] [m2] [s] [s]
T Tcenter u U κ λ ρ
[C] [C] [m.s1] [V] [S.m-1] [W.m-1.K-1] [kg.m-3]
Teplota Teplota v geometrickém středu vzorku rychlost tekutiny Elektrické napětí Měrná elektrická vodivost Tepelná vodivost vzorku Hustota vzorku
Literatura Amatore, C., Berthou, M., & Hébert, S. (1998). Fundamental principles of electrochemical ohmic heating of solutions. Journal of Electroanalytical Chemistry, 457(1-2), 191-203. Assiry, A.M., Sastry, S.K., & Samaranayake, C.P. (2006). Influence of temperature, electrical conductivity, power and pH on ascorbic acid degradation kinetics during ohmic heating using stainless steel electrodes. Bioelectrochemistry, 68(1), 7-13. Ayadi, M.A., Leuliet, J.C., Chopard, F., Berthou, M., & Lebouche, M. (2004). Continuous ohmic heating unit under whey protein fouling. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 5(4), 465-473. Icier, F., & Ilicali, C. (2005). Temperature dependent electrical conductivities of fruit purees during ohmic heating. Food Research International, 38(10), 1135-1142. Jong, P.d. (2004). Modelling and optimization of thermal processes in the dairy industry (2nd ed). Netherlands Institute for Dairy Research, Netherlands. Jones, F. (1897). Apparatus for Electrically Treating Liquids. Fernando Jones. United States Patent Office. US Patent 592735 26.10.1897 Kubíček, J. (2008). Návrh zařízení pro přímý ohmický ohřev vybraných potravin. ČVUT, fakulta strojní, Ústav procesní a zpracovatelské techniky. Diplomová práce. Samaranayake, C.P., & Sastry, S.K. (2005). Electrode and pH effects on electrochemical reactions during ohmic heating. Journal of Electroanalytical Chemistry, 577(1), 125-135. Samaranayake, C.P., Sastry, S.K., & Zhang, Q.H. (2005). Pulsed ohmic heating — A novel technique for minimization of electrochemical reactions during processing. Journal of Food Science, 70(8), 460-465. Skudder, P., & Biss, C. (1987). Aseptic processing of food products using ohmic heating. The Chemical Engineer, 433, 26-28. Stancl, J., Novy, M., & Zitny, R. (2008). Temperature non-uniformities and risk of overheating at a direct ohmic heating of foods. Bulletin of Applied Mechanics, North America, 4, dec. 2008. Available at: http://bulletin-am.cz/index.php/vam/article/view/92 Stancl, J., Zitny, R. (2010a). Milk fouling at direkt ohmic heating. Journal of Food Engineering, 99, 437-444 Stancl, J., Zitny, R. (2010b). Přímý ohmický ohřev potravin. In Sborník z konference Studentské tvůrčí činnosti STČ 2010, FS ČVUT v Praze, CZ. Stirling, R. (1987). Ohmic heating—a new process for the food industry. Power Engineering Journal, 6, 365-371. Toyoda, I.,& Fryer, P.J. (1994). A computational model for reaction and mass transfer in fouling from whey protein solutions. In Fouling and cleaning in food processing, Jesus College Cambridge, UK.
Trpišovský, J. (2006). Návrh technologie přímého elektrického ohřevu kusových potravin. ČVUT, fakulta strojní, Ústav procesní a zpracovatelské techniky. Diplomová práce. Zareifard, M.R., Ramaswamy, H.S., Trigui, M., & Marcotte, M (2003). Ohmic heating behaviour and electrical conductivity of two-phase food systems. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 4(1), 45-55. Zhang, L., & Fryer, P.J. (1993). Models for the electrical heating of solid-liquid food mixtures. Chemical Engineering Science, 48(4), 633-642.
