VETERINÁRNÍ A FARMACEUTICKÁ UNIVERZITA BRNO
FAKULTA VETERINÁRNÍ HYGIENY A EKOLOGIE Ústav hygieny a technologie mléka
POTRAVINÁŘSKÉ INŽENÝRSTVÍ A TECHNIKA doc. Ing. Jiří Štencl, DrSc. doc. MVDr. Bohumíra Janštová, Ph.D.
BRNO 2014
Tato skripta jsou spolufinancována z Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost:
„Inovace bakalářského a navazujícího magisterského studijního programu v oboru Bezpečnost a kvalita potravin“
(reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.0287)
Obsah
Kapitola
strana
1
ÚVOD
4
2
TEKUTINY
5
3
SEPARACE HETEROGENNÍCH SMĚSÍ
10
4
FLUIDIZACE
16
5
HOMOGENIZACE HETEROGENNÍCH SMĚSÍ, MÍCHÁNÍ
18
6
SDÍLENÍ TEPLA
22
7
SDÍLENÍ TEPLA PŘI KONDENZACI A VARU
27
8
KOMPRESOROVÝ CHLADICÍ OBĚH
29
9
MIKROVLNNÝ OHŘEV
29
10
DESTILACE
32
11
VLHKÝ VZDUCH
36
12
CHARAKTERISTIKA VLHKÝCH MATERIÁLŮ, KINETIKA SUŠENÍ
40
13
VODNÍ AKTIVITA JAKO PARAMETR KVALITY POTRAVIN
58
14
POTRAVINÁŘSKÁ TECHNIKA V MASNÉM PRŮMYSLU
43
15
POTRAVINÁŘSKÁ TECHNIKA NA PORÁŽENÍ A
51
ZPRACOVÁNÍ DRŮBEŽE 16
POTRAVINÁŘSKÁ TECHNIKA NA ZPRACOVÁNÍ VAJEC
55
17
POTRAVINÁŘSKÁ TECHNIKA V MLÉKÁRNÁCH
58
18
POUŽITÁ LITERATURA
75
Doc. Ing. Jiří Štencl, DrSc. Doc. MVDr. Bohumíra Janštová, Ph.D.
Kapitoly 1-13 Kapitoly 14-17
3
1 ÚVOD 1.1 BILANCE Aplikace: chemie, fyzika, technologie výrob, ekonomie, statistika, …, potravinářské inženýrství. Základní pojmy: - Otevřený systém: není izolován od okolí; může docházet k výměně (sdílení) tepla a hmoty s okolím. - Uzavřený systém: nemůže vyměňovat hmotu s okolím; v uzavřeném systému však mohou probíhat různé procesy. - Izolovaný systém: nemůže docházet ke sdílení tepla ani hmoty s okolím. - Bilanční období: vymezený časový úsek, pro který se provádí bilance; může nabývat hodnot diferenciálu času až po stovky let. - Vstup: bilancovaná veličina, která vstoupila do systému v průběhu bilančního období. - Výstup: bilancovaná veličina, která vstoupila do systému v průběhu bilančního období. - Akumulace: bilancovaná veličina, jež zůstala v systému na konci bilančního období; za určitých okolností může mít i negativní hodnotu. - Hranice bilančního systému: reálná a pomyslná, např. soubor aparatur, diferenciál. - Bilanční schéma: pro potravinářské technologie jsou používána především bloková schémata se znázorněním směru toků a uzlů, viz obrázek č. 1.1.
Obr. č. 1.1 Blokové schéma se znázorněním směru toků Základní bilanční rovnice, obecné vyjádření pro určité bilanční období: VSTUP = VÝSTUP + AKUMULACE Vstup, výstup může být spojitý nebo nespojitý (diskrétní); vstup a výstup nemusí mít stejný charakter.
1.2 MODELOVÁNÍ A SIMULACE (M&S), PREDIKCE DĚJŮ Důvody pro M&S v potravinářském výzkumu a praxi: Sledování kvality a kvalitativních změn u potravin a potravinářských surovin. Modely: „white box model“, „black box model“, „grey box model“.
1.3 SOUSTAVY HOMOGENNÍ A NEHOMOGENNÍ Disperzní soustava – je tvořena více fázemi, z nichž jedna složka (fáze) je rozptýlena ve druhé složce (fázi) ve formě částic, nikoli však rozpuštěna. Disperzní soustavu tvoří disperzní 4
prostředí a dispergovaná fáze. Dispergovaná (rozptýlená) fáze je tvořena jednotlivými částicemi pevné, kapalné nebo plynné fáze. Vlastnosti disperzní soustavy jsou závislé na stupni disperzity, což je poměr mezi povrchem a objemem částic dispergované fáze. Při vysokém stupni disperzity se vlastnosti disperzní soustavy mohou blížit vlastnostem spojitého prostředí. V potravinářském a chemickém průmyslu jsou pro disperzní soustavy, vzniklé různými kombinacemi fází, zavedena tato obvyklá označení: suspenze, emulze, pěna, prach (dým), mlha, viz tabulka 1.1. Tab. 1.1 Typy disperzních soustav Skupenství disperzního prostředí kapalina kapalina kapalina plyn plyn
Skupenství dispergovaného prostředí pevná fáze kapalina plyn pevná fáze kapalina
Disperzní soustava suspenze emulze pěna prach (dým) mlha
Kombinace více než dvou fází nemají již většinou obecné označení. Disperzní soustavy, v nichž se částice vzájemně přitahují, se nazývají strukturální soustavy nebo také gely.
1.4 STAVOVÁ ROVNICE IDEÁLNÍHO PLYNU Plyn, který je v rovnovážném stavu, lze charakterizovat stavovými veličinami: termodynamickou teplotou T, tlakem p, objemem V a počtem molekul N (resp. látkovým množstvím n nebo hmotností plynu m). Rovnice vyjadřující vztah mezi těmito veličinami se nazývá stavová rovnice: pV=nRT nebo pV=mRT, příp. pro jednotkové množství pv=rT. Pro 𝑉 konstantní teplotu má tvar pV=konst. (izotermické vyjádření), pro konstantní tlak 𝑇 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. 𝑝
(izobarické vyjádření) a pro konstantní objem 𝑇 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. (izochorické vyjádření).
1.5 ZÁKLADNÍ FYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI TEKUTIN A PEVNÝCH LÁTEK V rámci disciplíny Potravinářské inženýrství a technika budeme pracovat především s těmito parametry: Měrná hmotnost ρ [kg.m-3]; měrný objem v [m3.kg-1]; součinitel tření f [-]; měrná tepelná kapacita c [kJ.kg-1.K-1]; skupenské teplo l [kJ.kg-1]; entalpie i [kJ.kg-1]; entropie s [kJ.kg-1.K-1]; vyjadřování vlhkosti relativní [%, - ], měrné [g.kg-1], absolutní [g.m-3].
2 TEKUTINY Tekutiny se dělí na kapaliny a vzdušiny. Vzdušiny se nazývají plyny a páry. Zaujímají vždy maximálně možný objem, netvoří hladinu a nemají hydrostatický tlak. Jsou stlačitelné. Kapaliny tvoří hladinu, mají hydrostatický tlak a jsou nestlačitelné. Rozdělují se na newtonské a nenewtonské. U newtonských kapalin platí, že viskozita je nezávislá na rychlosti v oblasti laminárního toku.
5
2.1 VISKOZITA Viskozita η je odpor, projevující se na stykové ploše dvou vrstev tekutiny, pohybujících se různou rychlostí, tečným napětím, jímž se snaží rychlejší vrstva urychlovat pomalejší a ta naopak zpomalovat vrstvu rychlejší, viz obr. č. 2.1.
Obr. č. 2.1 Kapalina mezi dvěma pohybujícími se deskami
Tečné napětí
du x dy
du x . dy Bude-li gradient konstantní, bude i viskozita stejná. du Pro nenewtonské kapaliny platí: x . dy Viskozita je funkcí gradientu rychlosti. O tom, zda kapalina je newtonská nebo nenewtonská nerozhoduje hodnota viskozity – med je newtonská kapalina, jogurt s ovocem nenewtonská – nýbrž její struktura. Význam dělení kapalin na newtonské a nenewtonské pro praxi: veškeré hydrodynamické výpočty platí pouze pro newtonské kapaliny. Pro oba typy kapalin se používají odlišná čerpadla (podrobněji v kapitole 2.3.5 a 2.3.6). Typy nenewtonských kapalin: - pseudoplastická kapalina, - dilatantní kapalina, - Binghamská ideální plastická kapalina, - Binghamská plastická kapalina. Pro newtonské kapaliny platí:
2.2 TLAK V TEKUTINÁCH
Tlak se označuje symbolem p [Pa = N.m-2]: - hydrostatický - dynamický - parciální (plyny a páry) Příklady aplikací: zásobníkové nádrže pro kapaliny, plyny a páry, doprava kapalin, plynů a par, tlakové poměry u výměníků tepla, odparky (vakuové, vícestupňové), měření rychlosti proudění tekutin. Hydrostatický tlak: p hg [Pa]; součin ρg je pro konkrétní kapalinu konstanta.
6
c2 ) ) a celkový (statický + dynamický). 2g h – výška [m], ρ – hustota [kg.m-3], g – gravitační zrychlení [m.s-2]; ρvoda = 1000 kg.m-3.
Tlaky u proudící tekutiny: statický, dynamický ( f ( 𝑐2
Dynamický tlak je funkcí čtverce rychlosti 2𝑔 [m], c [m.s-1], g je gravitační zrychlení [m.s-2]. Tlaky u proudící tekutiny: statický, dynamický ( f (
c2 ) ) a celkový (statický + dynamický). 2g
2.3 PROUDĚNÍ TEKUTIN 2.3.1 Charakter proudění Proudění tekutin může být laminární, turbulentní nebo přechodové. Charakter proudění určuje Reynoldsovo číslo, Re: cd Re [-] ,
kde c – rychlost proudění [m.s-1], d – charakteristický rozměr [m], ρ – hustota [kg.m-3], η – dynamická viskozita [Pa.s]. Kritická hodnota Re pro přechod mezi laminárním a turbulentním prouděním je pro trubici s kruhovým průřezem Rekrit = 2300-2700 [-]. Kinematická viskozita se stanoví jako
[m2.s-1].
2.3.2 Rovnice kontinuity toku Rovnice kontinuity toku stanoví, že součin rychlosti a průřezu je po celé délce potrubí konstantní: Q cS konst. [m3.s-1].
2.3.3 Bernoulliova rovnice Bernoulliova rovnice (B.R.) je základní rovnicí hydrodynamiky a aerodynamiky pro proudění tekutin v gravitačním poli. B.R. je jednou z forem výkladu zákona o zachování energie; vyjadřuje, že součet energie polohové, statické a dynamické je v každém průřezu potrubí konstantní, viz obr. č. 2.2. Matematické vyjádření B.R. podle obrázku č. 2.2: h1
p1 c12 p c2 h2 2 2 konst. g 2 g g 2 g
Podle B.R. obecně platí, že u vodorovného potrubí dochází ve zúženém průřezu ke snížení tlaku (…protože dochází ke zvýšení rychlosti).
7
Obr. č. 2.2 Bernoulliova rovnice v tzv. výškovém tvaru
2.3.4 Doprava tekutin potrubím – ztráty při proudění Při proudění tekutiny (kapaliny, vzdušiny) potrubím vznikají ztráty; vyjadřují se jako tlakové [Pa] nebo, v praxi častěji, výškové [m]. Celkové ztráty při proudění tekutiny potrubím lze vyjádřit jakou součet čtyř výšek: geodetické, rychlostní, ztrátové vyjadřující tření tekutiny o potrubí a ztrátové v armaturách: c2 L c2 c2 [m]. Hz Hg 2g D 2g 2g
2.3.5 Doprava kapalin potrubím Nejvýznamnější kapalinou pro řadu průmyslových odvětví, včetně potravinářství, je voda. Příklad potrubního systému pro čerpání vody z přírodního zdroje do zásobníkové nádrže s celkovou geodetickou výškou Hg je uveden na obrázku č. 2.3. Naznačený potrubní řád obsahuje osm armatur včetně čtyř kolen (oblouků) a jedné armatury pro výpusť.
Obr. č. 2.3 Čerpání vody z přírodního zdroje do zásobníkové nádrže odstředivým čerpadlem Pro čerpání vody se nejčastěji používají odstředivá čerpadla, viz obrázek č. 2.4. Sestávají ze dvou hlavních funkčních částí: tělesa (spirální skříně) a oběžného (lopatkového) kola. Ve spirální skříni s rozšiřujícím se průřezem dochází k poklesu rychlosti a nárůstu tlaku v souladu s principem B.R. Čerpadlo má sací výšku; kapalina vstupuje v ose rotace lopatkového kola a vystupuje tečně k lopatkovému kolu. Nově zapojené odstředivé čerpadlo musí být před spuštěním odvzdušněné a zavodněné, aby dosahovalo požadované výkonnosti. Součástí technické dokumentace každého čerpadla je jeho výkonová charakteristika. Je to 8
závislost mezi dopravním množstvím kapaliny Q [l.s-1] nebo [m3.h-1] a dopravní výškou H [m]. Tato závislost se velmi často nazývá Q-H charakteristika (Obr. č. 2.5). Každé odstředivé čerpadlo má část charakteristiky labilní a stabilní, viz obrázek č. 2.6. Použitelné je pouze ve stabilní části, tzn., že odstředivé čerpadlo nemůže čerpat od nuly do maxima, ale jen v oblasti použitelnosti do zadaného potrubí (Obr. č. 2.6).
Obr. č. 2.4 Odstředivé čerpadlo a jeho hlavní funkční části
Obr. č. 2.5 Q-H charakteristika potrubí a odstředivého čerpadla
2.3.6 Čerpání nenewtonských kapalin Pro čerpání nenewtonských nebo vysoce viskózních kapalin v potravinářství se v současné době používají nejčastěji hadicová (peristaltická) čerpadla. Na obrázku č. 2.6 je znázorněn princip činnosti tohoto čerpadla a obrázek č. 2.7 ukazuje provedení hadicového čerpadla se dvěma pevnými vačkami a se třemi otáčivými kladičkami. 9
Obr. č. 2.6 Princip činnosti hadicového čerpadla
A B Obr. č. 2.7 Provedení hadicového čerpadla se dvěma pevnými vačkami (A) a se třemi otáčivými kladičkami (B)
3 SEPARACE HETEROGENNÍCH SMĚSÍ Mezi základní způsoby separace patří filtrace, usazování a separace v poli odstředivých sil.
3.1 FILTRACE Operace, při níž dochází k mechanickému oddělování tuhé fáze (pevných částic) od spojitého prostředí (tekutiny). Filtrované médium prochází vrstvou vhodného porézního materiálu, který teoreticky propustí pouze tekutinu a pevné částice mechanicky zadrží. Filtrace se používá především tam, kde jiné separační metody nevyhovují, např. dispergované částice se špatně usazují, nebo když se požaduje, aby získaná tuhá fáze měla minimální vlhkost. Produktem filtrace mohou být buď zachycené dispergované částice, nebo tekutá fáze – filtrát. Pokud jsou částice dispergovány v kapalině (suspenze), hovoří se o filtraci kapalin, pokud jsou dispergovány v plynné fázi, hovoří se o filtraci plynů. K oddělování pevných dispergovaných částic může dojít buď na povrchu přepážky – povrchová filtrace nebo uvnitř celého objemu přepážky – filtrace objemová, hloubková. Princip povrchové filtrace spočívá v tom, že k zachycení pevných částic dochází na povrchu pevné tenké přepážky, jejíž otvory jsou menší, než rozměry dispergovaných částic. Je zřejmé, bude-li koncentrace pevné fáze > 1%, dojde při delším provozu filtru k narůstání vrstvy zachycených částic, která sama má charakter porézní přepážky a s výhodou může sloužit k dalšímu zachycení dispergovaných částic. Tato vrstva se označuje jako filtrační koláč a způsob filtrace jako filtrace koláčová. Nové částice se však vždy zachytí na povrchu filtračního koláče, viz obrázek č. 3.1. Pokud dochází k nárůstu vrstvy, zvyšuje se i odpor pro
10
průtok filtrátu, což může být v některých případech limitující podmínkou pro provozní dobu filtru. Tento způsob filtrace je v praxi nejrozšířenější.
Obr. č. 3.1 Povrchová filtrace U filtrace objemové (hloubkové) dochází k oddělování pevných částic v celém objemu uměle vytvořené přepážky (Obr. č. 3.2); částice se zachycují ve volném objemu přepážky, která zdánlivě nemění svůj objem.
Obr. č. 3.2 Objemová filtrace – filtrační přepážka tvořena vrstvou písku, vaty atp. Takto lze filtrovat pouze jemnozrnné suspenze s relativně malou koncentrací pevné fáze (< 1%). Oddělení částic se dosáhne nejen mechanickým zachycením částic v menších mezerách než je jejich velikost, ale i dalšími efekty. Především nucenou změnou pohybu částic, setrvačností, adsorpcí, vlivem difúze, přitažlivými silami apod. Celkový efekt je pak takový, že objemový filtr je pak schopen zachytit i menší částice, než je nejmenší rozměr filtračního tvoru v přepážce. Filtrační přepážka objemových filtrů je tvořena buď volně sypanou vrstvou praného písku, nebo vrstvou kompaktního materiálu (keramické hmoty, plsť, vata apod.). U objemových filtrů se vyžaduje obvykle periodický provoz a je tedy nutná regenerace. Pro jednoúčelovou filtraci se filtry neregenerují, ale nahrazují se novými vložkami výplňového materiálu. Produktem objemové filtrace je většinou filtrát. Provozní doba je dána zaplněním volného objemu filtrační přepážky dispergovanými částicemi. Průtok filtrační přepážkou je vždy spojen se ztrátou energie. Aby byla filtrace možná, je zapotřebí vytvořit hnací sílu filtrace – tlakový spád, tzn. rozdíl tlaků před a za filtrační přepážkou. Realizace je možná několika způsoby: - Vytvoření hydrostatického tlaku sloupce kapaliny suspenze – gravitační filtry. - Vytvoření přetlaku na vstupní straně filtrační přepážky – tlakové filtry. - Vytvoření podtlaku (vakua) na výstupní straně filtrační přepážky – podtlakové (vakuové) filtry. 11
- Vytvoření hnací síly pomocí odstřeďování, tzv. filtrační odstředivky. Vytvoření potřebného tlakového spádu může do značné míry ovlivnit i vlastní filtrační koláč u povrchové filtrace; existují následující typy filtračních koláčů: - Filtrační koláč nedeformující se (nestlačitelný). Působením tlaku nedochází ke změnám charakteristik filtračního koláče, který si lze představit jako nedeformující se porézní přepážku. Propustnost filtračního koláče je podél jeho výšky konstantní. Nestlačitelný filtrační koláč je typický pro částice krystalické povahy s relativně vysokou pevností částic. Příkladem mohou být i zachycená zrnka písku. - Filtrační koláč deformující se (stlačitelný). Vlivem tlaků může dojít ke změnám charakteristik filtračního koláče, který si lze představit jako stlačitelnou porézní přepážku. U stlačitelného koláče může dojít jak ke změně mezerovitosti, tak i relativního specifického povrchu. Takový koláč se nazývá též konsolidovaný. Pokud dojde vlivem působícího tlaku pouze ke změně mezerovitosti a relativní specifický povrch zůstane stejný, pak se koláč nazývá nekonsolidovaný. Velmi malé částice, navíc i v malých koncentracích, lze rovněž filtrovat povrchovou filtrací, aniž by docházelo k vytvoření filtračního koláče, pomocí tzv. membránové filtrace. Velikost vytvořených otvorů ve filtračním materiálu se pohybuje kolem 1 µm. Nejmenší částice o velikosti do 10-3 µm lze oddělit pomocí ultrafiltrace. Rovnice filtrace popisuje velikost tlakové ztráty na filtrační přepážce p p1 p3 , p1-tlak před filtrační přepážkou, p2-tlak mezi filtračním materiálem a filtračním koláčem, p3-tlak za filtrační přepážkou.
3.2 USAZOVÁNÍ Pod pojmem usazování (sedimentace) se rozumí pohyb tuhých případně kapalných částic rozptýlených v plynu nebo v kapalině vyvolaný vlivem gravitační síly.
Obr. č. 3.3 Gravitační usazování; silové působení na kulovou částici Gravitační usazování, Stokesův usazovací zákon: Při stanovování rychlosti w usazování kulové částice o průměru d, hustotě ρ1 v prostředí s koeficientem odporu ζ a hustotě ρ se vychází z rovnováhy sil působících na částici v gravitačním poli G = FR, viz obrázek č. 3.3. d 3 1 g [N] . G Síla působící na částici v prostředí: 6 d 2 w2 Prostředí vytváří odpor proti usazování: FR [N] . 4 2 Pro ustálený stav platí: G = FR. 12
Rychlost usazování je potom (v ustáleném stavu) konstantní, w = konst., event. = 0. Na základě rovnosti G = FR lze vyjádřit rychlost usazování kulové částice w:
w
4d 1 g [m.s-1] 3
Výpočet platí pro laminární usazování, viz kapitola 2.3.1 Charakter proudění. Z principu Stokesova usazovacího zákona vychází i obecná podmínka pro dosažení pneumatické dopravy částic kulových (výpočet výše), vločkových i vláknitých: rychlost proudu vzduchu wpneu.d. musí být vyšší, než je rychlost usazování částice v daném prostředí wusaz.: wpneu.d.= k.wusaz. [m.s-1]. Hodnota k je v rozmezí od 1,5 do 3,0 podle charakteru dopravovaného materiálu (částice kulové, vločkové, vláknité).
3.3 SEPARACE V POLI ODSTŘEDIVÝCH SIL Při usazování částic v gravitačním poli byla hnací síla procesu dána výslednicí sil gravitačních a odporových. Při usazování velmi malých částic by byla výsledná síla nedostačující, a proto by bylo třeba velmi dlouhé usazovací doby, případně neúměrně velké provozní zařízení. U koloidních částic by gravitační usazování nebylo možné vůbec. Protože v praxi je oddělování takových částic nutné, je zapotřebí využít jiných principů. Jednou z možností je využití odstředivé síly, obrázek č. 3.4.
Obr. č. 3.4 Působení odstředivé síly na částici o hmotnosti m Velikost odstředivé síly působící na hmotnou částici, která se pohybuje po zakřivené dráze o mv 2 2 poloměru r je rovna: Fo mao mr [N] , r kde ao je odstředivé zrychlení, ω je úhlová rychlost a v je obvodová rychlost, v = r.ω. Pro hodnocení intenzity odstřeďování se používá kriteriální Froudeho číslo; je to poměr sil odstředivých a gravitačních, jež působí na hmotnou částici: Fr
Fo mv 2 v 2 r 2 2 r 2 ao [-] G mgr gr gr g g
Podle hodnoty Froudeho čísla se odstředivky rozdělují na:
13
Pomaloběžné odstředivky Rychloběžné odstředivky Ultraodstředivky
Fr < 3500. Fr > 3500. Fr ~ 106.
V potravinářství dominují pomaloběžné odstředivky, Fr < 3500. Příkladem může být odstředivka na mléko, obrázek č. 3.5.
Obr. č. 3.5 Odstředivka používaná pro odstředění mléka Specifickým příkladem odstředivek jsou cyklony, kdy rotuje tekuté prostředí (plyn, kapalina) ve stacionárním zařízení. Rotace prostředí se dosahuje tangenciálním vstupem.
4 FLUIDIZACE V řadě potravinářských technologií se vyžaduje styk mezi tuhou fází, tvořenou pevnými částicemi a spojitým tekutým prostředím (kapalina nebo plyn). Probíhající proces sdílení tepla a hmoty lze intenzifikovat tak, když zrnitý, práškovitý, vločkovitý nebo i vláknitý materiál uvedeme do takového stavu, při kterém bude tekutina obtékat kolem celého povrchu jednotlivých částic. To nastane tehdy, když rychlost tekutiny proudící ode dna nádoby, ve které se vrstva nachází, dosáhne určité hodnoty, při níž se uvolní vazby mezi jednotlivými částicemi, které tím získají určitou autonomii pohybu. Takto vytvořená heterogenní soustava má některé vlastnosti typické pro kapaliny. Sloupec vrstvy vykazuje hydrostatický tlak a na principu jeho různých hodnot materiál přetéká z místa na místo (tlakový spád – princip dopravy). Sypný úhel materiálu je nulový a materiál vytváří hladinu. Pochod, pomocí kterého se dostane materiál do uvedeného stavu se označuje jako fluidizace a vrstvu s uvedenými vlastnostmi nazýváme jako fluidní. Z hlediska proudění tekutého prostředí je limitující jeho rychlost, při níž se dosáhne požadovaného vznosu částic. Při stanovování takové kritické hodnoty proudění, odpovídající vzniku fluidní vrstvy, se vychází z rychlosti usazování částic v daném prostředí, viz rovnice usazování, kap. 3.2.
w
4d 1 g [m.s-1]. 3
14
V Vm [-] , V kde V je celkový objem (vrstvy), Vm je objem částic materiálu a rozdíl (V – Vm) se označuje jako „volný objem“.
Mezerovitost:
Fáze vzniku fluidní vrstvy, viz obrázek č. 4.1: - nehybná vrstva, - práh fluidizace (expandující vrstva), - fluidní vrstva, - práh úletu, postupující vrstva.
Obr. č. 4.1 Fáze vzniku fluidní vrstvy Vznik fluidní vrstvy lze s vysokou přesností definovat na základě závislosti tlakového spádu na průtočné rychlosti nosného media, viz obrázek č. 4.2. Konstantní tlakový spád znamená autonomii částic ve vznosu, tzn. vznik fluidní vrstvy. Graf na obrázku č. 4.3 ukazuje, že se zvětšujícím se průměrem (charakteristickým rozměrem) částic roste potřebná rychlost proudění pro vznik fluidní vrstvy.
Obr. č. 4.2 Závislost tlakového spádu na průtočné rychlosti u fluidní vrstvy
15
Obr. č. 4.3 Vliv velikosti částic na tvorbu fluidní vrstvy Příklady aplikací fluidní techniky: Intenzifikace procesů sdílení tepla a hmoty. Fluidní sušárny, „vibrofluid“, „rotofluid“.
5 HOMOGENIZACE HETEROGENNÍCH SMĚSÍ, MÍCHÁNÍ 5.1 MÍCHÁNÍ, DÁVKOVÁNÍ V potravinářském průmyslu a v celé řadě jiných průmyslových odvětví se používají různé druhy tekutých a pevných materiálů, které je nutné směšovat v různých poměrech podle technologických požadavků. Míchání obvykle předchází technologická operace dávkování, jež značně ovlivňuje rozměrové řešení vlastního míchacího zařízení. Způsoby dávkování mohou být kombinací: kontinuální nebo cyklické (šaržové) a objemové nebo hmotnostní. Například moderní dávkovací zařízení pásová váha představuje dávkování „kontinuální hmotnostní“. V potravinářství často používané dávkovače turniketové jsou charakterizovány jako „objemové cyklické“ a šnekový dávkovač jako „objemový kontinuální“. Z hlediska rozměrů míchačky je nejpříznivější dávkování kontinuální. Obecným účelem technologické operace míchání je: - Homogenizace, tj. dokonalé rovnoměrné promíchání dvou nebo více komponentů za účelem snížení koncentračních nebo jiných gradientů ve zvoleném objemu (hmotnosti). - Intenzifikace, tj. urychlení chemických reakcí mezi jednotlivými komponentami nebo fyzikálních procesů (sdílení tepla, rozpouštění, krystalizace). - Vytváření suspenzí nebo emulzí a jejich udržení pro získání optimálního mezifázového povrchu reagujících látek. Homogenní suspenze nebo emulze jsou v podstatě nestabilní soustavy a o skončení míchání se projevují segregační účinky, které se snaží vrátit systém do původního stavu. Cílem homogenizace je dosažení rovnoměrného rozptýlení určité složky v celém objemu promíchávané vsádky. Dosažení tohoto cíle se obvykle vyjadřuje parametrem stupeň homogenity, jehož místní hodnota je definována vztahem: c c M M [-] , c c0 kde τM označuje čas od začátku homogenizace, c je koncentrace, případně jiná sledovaná veličina, např. teplota, dosažená při dokonalém promíchání, c M je koncentrace ve sledovaném místě v čase τM a c0 je koncentrace v tomto místě v čase τ = 0 (počáteční koncentrace). 16
Takto definovaný stupeň homogenity se mění v intervalu od 1 do 0. V literatuře je publikována pro různé typy míchadel celá řada rovnic, které vyjadřují závislost stupně homogenity na čase. Vesměs se jedná o „black box“ modely, protože míchání probíhá v oblasti turbulentního proudění, nahodilých jevů, jež jsou vyhodnocovány převážně statisticky. Obvyklý tvar těchto rovnic je:
Ae B [-] . M
A a B jsou konstanty závislé na fyzikálních vlastnostech homogenizovaného materiálu a na geometrii systému (míchadlo, nádoba atp.). Míchání je možné realizovat v různých zařízeních různým způsobem. Efektivita procesu závisí nejen na uspořádání vlastního míchacího systému, ale také na vlastnostech míchaných látek a na konečných vlastnostech produktu. S ohledem na tyto skutečnosti a nahodilosti jevů, viz výše, neplatí pro míchání obecné společné zásady. Vždy je ale nutný pohyb míchaného prostředí. Toho lze dosáhnout: - rozdílem hustot, např. v důsledku rozdílu teplot (bude popsáno ve stati „Součinitel přestupu tepla při varu“), - molekulární difúzí, - vháněním vzduchu, páry nebo vhodných plynů (pneumatické míchání), - vhánění kapaliny (hydraulické míchání), - mechanicky (mechanické míchání – nejrozšířenější). Mechanická míchadla jsou konstrukčně řešena jako: - rotační, - vibrační, - klopné reaktory (mechanický pohyb koná vlastní nádoba). Popis rotačního míchacího zařízení je uveden na obrázku č. 5.1 a základní typy rotačních míchadel jsou podle směru proudění míchadla axiální, radiální a tangenciální.
Obr. č. 5.1 Rotační míchací zařízení Obr. 5.2 a) Axiální míchadlo, b) Radiální míchadlo, c) Tangenciální míchadlo
17
5.2 TVAROVÁNÍ Po procesu homogenizace sypkých směsí může následovat operace tvarování. Tvarovací lisy jsou obecně energeticky náročná zařízení s robustní konstrukcí. Produktem jsou granule, pelety, brikety atp. Obvykle se granulovaná směs protlačuje přes matrici. Na její tloušťce je závislá délka – velikost i kvalita granulí.
5.3 DIFÚZE Difúze je samovolné pronikání molekul, iontů z oblasti vyšší koncentrace do oblasti nižší koncentrace vlivem tepelného pohybu částic. Difúzí se uskutečňují všechny mezifázové pochody (vznik roztoků, absorpce plynů atd.). Probíhá ve všech třech skupenstvích, nejrychleji v plynném a nejpomaleji v pevném. Její rychlost se řídí Fickovými zákony a její mírou je difúzní koeficient. Difúze je pochod typicky nevratný spojený se vzrůstem entropie. Difúze je významná v potravinářském průmyslu, především v cukrovarnictví, viz dále. Podle Fickova zákona je množství (mol) rozpuštěné látky prošlé za jednotku času dn c jednotkovým průřezem úměrné koncentračnímu gradientu konst. , což lze dt z t dn c vyjádřit jako D . dt z t Konstanta úměrnosti D se nazývá difúzní koeficient, δc je rozdíl koncentrací ve vzdálenosti δz. Fickův zákon vystihuje změnu koncentračního gradientu s časem.
5.3.1 Difúze v cukrovarnictví Difúze v cukrovarnictví: proces „těžení šťávy“ vyluhováním (vyslazováním) sladkých řízků nebo rozsekané cukrové třtiny vodou. Klasická Robertova difúze se skládá ze 12 až 16 difuzérů, spojených za sebou v difúzní baterii potrubím (šťávním, vodním, přestupníkovým) a ventily, umožňujícími pravidelné střídání pracovních operací v každém difuzéru tak, aby se uskutečnila protiproudá extrakce. Mezi difuzéry jsou kalorizátory nebo injektory, v nichž se protékající šťáva ohřívá vodní parou, aby došlo k umrtvení buněk teplem. Pohyb šťávy v baterii se děje tlakovou vodou. Moderní cukrovary mají místo Robertovy difúze mechanizované difuzéry, které snižují ztráty cukru, umožňují automatizaci a pracují bez odpadních vod. Jde vždy o jednonádobový extraktor s různými vestavbami pevnými nebo pohyblivými, umožňujícími transport řízků, někdy doplněný spařováním sladkých řízků vracenou horkou difúzní šťávou. Plášť extraktoru je vždy vyhříván. Z hlediska konstrukčního jsou difuzéry bubnové, věžové, žlabové, řetězové a skrápěcí.
6 SDÍLENÍ TEPLA Teorie sdílení tepla je vědní obor, který se zabývá procesy přenosu energie (tepla) z jedné části prostoru do druhé. Na základě druhého termodynamického zákona platí, že teplo se sdílí samovolně v prostoru z míst o teplotě vyšší do míst o teplotě nižší. Toto sdílení tepla probíhá tak dlouho, dokud se nedosáhne termodynamické rovnováhy. Základní způsoby sdílení tepla jsou: - kondukce (vedení) - konvekce (proudění), může být volná (přirozená) nebo nucená - radiace (záření, sálání) 18
6.1 RADIACE Při radiaci (sálání) nastává sdílení tepla mezi dvěma systémy bez jejich vzájemného kontaktu, např. Slunce – Země. Sdílení tepla zprostředkovává elektromagnetické vlnění v určitém rozsahu vlnových délek. Tepelný tok, tj. energii, kterou systém vyměňuje s druhým systémem za jednotku času, je v případě sálání úměrný rozdílu čtvrtých mocnin absolutních teplot [K] J obou systémů. Jednotkou tepelného toku je tedy watt W . s Pro sdílení tepla radiací platí:
q T14 T24 [W.m-2]. U průmyslových zařízení se obvykle efekt sálání uvažuje až při minimálním rozdílu teplot Tmin T1 T2 300až 400 [K, oC]. Znamená to, že v potravinářských provozech se s tímto způsobem sdílení tepla setkáváme prakticky v případě hořáků a pecí, eventuálně při sálavém vytápění.
6.2 KONVEKCE Jak již název naznačuje, dochází zde ke sdílení tepla z proudícího prostředí k povrchu fázového rozhraní. Tepelný tok je v tomto případě dán vztahem:
q t p t s [W.m-2]. α [W.m-2.K-1] je součinitel přestupu tepla z tekutého prostředí na pevnou stěnu, tp [oC] je teplota tekutého prostředí a ts [oC] je teplota stěny. Hodnota součinitele α je při nucené konvekci vždy větší, než u volné (přirozené). Přirozenou konvekci lze změnit na nucenou např. mícháním. Sdílení tepla konvekcí je znázorněno na obrázku č. 6.1 mezi teplotou prostředí T1 a teplotou stěny T1S, resp. mezi T2S a T2. Uvnitř stěny dochází ke kondukci T1S → T2S, viz následující kapitola.
Obr. 6.1 Sdílení tepla konvekcí (stěna o tloušťce L je obklopena z obou stran tekutým prostředím)
19
6.3 KONDUKCE Tento mechanismus sdílení tepla se uplatňuje především u tuhých těles. V tuhé fázi je translační a rotační pohyb molekul nulový a vnitřní energie je dána pouze jejich vibrací kolem rovnovážných poloh. Při těchto vibracích dochází k interakci se sousedními molekulami. Zvýšení intenzity vibrací jedné molekuly se přenáší na molekuly sousední. Intenzita toku tepla je v tomto případě definována rovnicí: q
dQ [W.m-2]. dS
V tuhém tělese musíme rozlišovat také směr tepelného toku, jehož hodnota může být pro odlišné směry různá. q je vektor. Intenzita tepelného toku při vedení je dána Fourierovým zákonem, který lze zapsat ve formě:
q
t e z [W.m-2]. z
t e z je složka gradientu teploty ve směru z, e z je z jednotkový vektor ve směru z. Součinitel úměrnosti λ se nazývá tepelná vodivost a jeho jednotkou je [W.m-1.K-1]. V rámci tohoto předmětu se budeme zabývat pouze jednorozměrnými případy, pro které obecně definovaná vektorová notace ztrácí smysl. Budeme tedy psát:
q je intenzita tepelného toku ve směru z,
q
dt [W.m-2]. dz
Pro rozdíl teplot t1 t 2 t1 , tloušťku stěny Δz1 a tepelnou vodivost λ1 bude platit: t q 1 1 [W.m-2]. z1 Pro rovinnou stěnu složenou ze dvou vrstev o tloušťce Δx1 a Δx2 s tepelnou vodivostí λ1 a λ2, teplotami na vnějších površích t1 a t3 a teplotou mezi vrstvami t2 platí, viz Obr. č. 6.2:
q
t1 t 3 [W.m-2]. x1 x2
1
2
Obr. 6.2 Sdílení tepla kondukcí ve stěně o dvou vrstvách Obdobně lze odvodit rovnici pro stěnu o n-vrstvách. 20
Pro všechny uváděné výpočty, z hlediska jednotek - rozměrů, platí: Q Sq [W],
q J q [J.m-2], QJ Q [J], kde τ [s] je čas. Gradient teploty uvnitř stěny charakterizuje její vlastnosti z hlediska vedení tepla (Obr. č. 6.3). Výborným tepelným vodičem jsou kovy, v potravinářství především měď. Na druhé straně špatným tepelným vodičem (výborným tepelným izolantem) je polystyren.
Obr. 6.3 Gradienty teplot při sdílení tepla kondukcí
6.4 PROSTUP TEPLA STĚNOU V potravinářské praxi se lze nejčastěji setkat se stěnou, která je obtékána různými prostředími z obou stran. Příkladem může být nádoba, v níž se ohřívá kapalina; na vnější straně stěny je vzduch a na vnitřní je kapalina. Na základě dříve uvedeného lze konstatovat, že se jedná o sdílení tepla konvekcí, kondukcí a opět konvekcí. Označíme-li parametry vnějšího prostředí indexem e, parametry prostředí uvnitř nádoby indexem i a odpovídající teploty stěny tse a tsi, potom můžeme psát pro sdílení tepla: Konvekce:
qe e te t se [W.m-2].
Kondukce: qs t se t si [W.m-2]. s Konvekce: qi i t si ti [W.m-2]. Na základě platnosti zákona o zachování energie lze napsat: qe qs qi q [W.m-2]. Jestliže u rovnic pro konvekci – kondukci - konvekci osamostatníme rozdíly teplot, získáme:
q
1
e
t e t se ,
21
s
t se t si , 1 q t si ti . i q
Sečtením těchto tří rovnic obdržíme: 1 s 1 q t e ti . e i Konečné vyjádření tepelného toku sledovanou stěnou lze potom napsat ve tvaru:
q
1
e
1 s
1
te ti [W.m-2],
i
kde složený zlomek se nazývá součinitel prostupu tepla stěnou a označuje se jako k:
k
1
e
1 s
1
[W.m-2.K-1].
i
Hodnota součinitel prostupu tepla rovinnou stěnou k je pro standardní materiály stěn a prostředí na obou stranách stěny tabelizována a uvedena v termodynamických tabulkách, např. voda – ocel – vzduch.
7 SDÍLENÍ TEPLA PŘI KONDENZACI A VARU 7.1 VODNÍ PÁRA Obecně platí: Ochlazuje-li se chemicky stejnorodý plyn při určitém stálém tlaku, přejde tento plyn oblastí tzv. přehřátí, kde má vlastnosti blízké plynům, avšak velmi rychle se začne měnit jeho měrné teplo a v tomto stavu již nemůže být považován ani za ideální, ani za nedokonalý. Plyn se stává parou, jejíž měrné teplo je funkcí tlaku a teploty, je blízký svému zkapalnění. Dalším ochlazováním přejde do stavu nasycení. Přitom se začne část páry měnit na kapalinu – kondenzovat. Při stálém tlaku a stálé teplotě se vytváří směs páry a kapaliny – mokrá pára. Dalším odebíráním tepla této směsi dvou fází ubývá postupně fáze plynné až do stavu, kdy pára zkapalní a dalším ochlazováním děj pokračuje až do stavu tuhnutí. Pozn. Tyto změny budou podrobně analyzovány s využitím tepelného diagramu v části „Kompresorový chladicí oběh“.
7.2 SDÍLENÍ TEPLA PŘI KONDENZACI Vznik kondenzační vrstvy: Obecně je známo, že dojde-li ke styku par s plochou ochlazenou pod teplotu kondenzace par, dochází na této ploše k orosení povrchu. S tímto jevem se v potravinářství setkáváme velmi často. Kondenzační vrstva může být tvořena souvislým filmem kondenzátu (filmová kondenzační vrstva, Obr. č. 7.1) nebo kapičkami (kapénková kondenzační vrstva, Obr. č. 7.2). Její charakter je závislý na řadě okolností, nejvíce však na smáčivosti povrchu. Obecně platí, že 22
sdílení tepla při kondenzaci je vyšší, zvláště u stékající vrstvy, než u stejného povrchu bez kondenzace. Pro výpočet tepelného toku se používá Nusseltova čísla, Nu. Zatím co součinitel přestupu tepla (konvekce) α [W.m-2.K-1] má v případě turbulentního toku vody trubicí hodnotu 100 – 400, dosahuje součinitel přestupu tepla při kondenzaci vodní páry hodnot až 10 tis. W.m-2.K-1.
Obr. č. 7.1 Filmová kondenzační vrstva
Obr. č. 7.2 Kapénková kondenzační vrstva
Podmínky kondenzace vzdušné vlhkosti budou podrobněji probírány v kapitole „Vlhký vzduch“.
7.3 SDÍLENÍ TEPLA PŘI VARU Každý z nás někdy sledoval ohřívající se vodu v nádobě a očekával, kdy začne vřít. Nejprve bylo možné pozorovat termickou cirkulaci, poté byl patrný bublinkový var a při pokračujícím záhřevu začaly bublinky vytvářet u dna souvislou vrstvu, byl to začátek filmového varu. Při dalším ohřevu mohlo dojít až ke sdílení tepla, mezi dnem nádoby a vodou, radiací, viz dříve. Součinitel konvekce α [W.m-2.K-1] při termické radiaci a bublinkovém varu narůstá, se vznikem filmového varu klesá, neboť vytvořená vrstvička par působí jako tepelný izolant a při radiaci α opět vzrůstá. Obecně se snažíme filmovému varu u kapalin vyhnout nejen z důvodu snižující se hodnoty α, ale i z důvodu bezpečnosti provozu – nebezpečí porušení tepelného zařízení nebo i nebezpečí výbuchu. Jak vypadá průběh součinitele přestupu tepla α při varu v závislosti na rozdílu teplot mezi dnem nádoby a kapalinou znázorňuje obrázek č. 7.3.
Obr. č. 7.3 Součinitel přestupu tepla při varu Na křivce je vidět, že součinitel přestupu tepla s rostoucím rozdílem teplot nejdříve mírně stoupá vlivem zvyšující se termické cirkulace. Od okamžiku, kdy se objeví první bublinky 23
páry (Obr. č. 7.4), roste součinitel α mnohem rychleji, neboť stoupající bublinky intenzivněji promíchávají kapalinu, než samotné termické proudění.
Obr. č. 7.4 Bublinový var S rostoucí velikostí bublin však dochází k negativnímu jevu, snížení sdílení tepla, neboť při tvorbě bubliny je část plochy dna ve styku ne s kapalinou ale párou. Přestup tepla ze stěny do páry je řádově nižší než do kapaliny, pára působí jako tepelná izolace. S rostoucí plochou dna pokrytou parou klesá součinitel přestupu tepla a tento efekt postupně překrývá kladný vliv zvětšující se intenzity cirkulace. Tím dochází k tomu, že s rostoucím teplotním rozdílem prochází součinitel α maximem a začne klesat. V místě minima už je jen filmový var, kdy převážná část teplosměnné plochy je pokryta parou. K dalšímu zvyšování α dochází pak pouze vlivem tepelného záření. V potravinářských technologiích se pracuje především v oblasti termické cirkulace; v oblasti bublinkového varu především v případech, kdy je cílem odpařování nebo zahušťování rozpouštědla.
7.4 VÝMĚNÍKY TEPLA V praxi se lze setkat s výměníky tepla konstrukčně řešenými jako trubkové nebo deskové. Trubkové mohou být svazkové nebo tzv. „trubka v trubce“. Z hlediska toků médií se potom výměníky tepla rozdělují na souproudé, protiproudé nebo, v případě deskových výměníků, také křížoproudé. Schéma trubkového výměníku souproudého a protiproudého s průběhem teplot v médiích je uvedeno na obrázku č. 7.5. Pozn. Průběhy teplot u výměníků se obvykle znázorňují v diagramech teplota vs velikost teplosměnné plochy.
Obr. č. 7.5 Trubkový souproudý a protiproudý výměník tepla Jejich výpočet vychází z výpočtu prostupu tepla stěnou; bude předmětem početních příkladů na cvičení.
24
7.5 VÝMĚNÍKY TEPLA SE ZMĚNOU FÁZE V některých výměnících dochází u jedné z tekutin k fázové přeměně, k vypařování (varu) tekutiny nebo ke kondenzaci par. Mohou nastat i případy, kdy se současně na jedné straně teplosměnné plochy tekutina odpařuje (vře) a na druhé straně kondenzuje (Obr. č. 7.6). V těchto případech dochází ke sdílení skupenského tepla, takže výměna tepla se zvyšuje a lze uvést, že výměník pracuje efektivněji. Na tomto principu pracují odparky, viz dále. Teplota proudu, ve kterém dochází ke změně fáze, je vždy konstantní, protože změna skupenství je izobaricko-izotermický děj. Množství tepla, které je potřebné ke změně skupenství látky se nazývá skupenské teplo (l) [kJ.kg-1], může být výparné, kondenzační, příp. tuhnutí. Změna skupenství probíhá vždy při konstantní teplotě a tlaku.
Obr. č. 7.6 Průběh teplot u výměníků se změnou fáze
7.6 VÝMĚNÍKY SESTAVENÉ Z TEPELNÝCH TRUBIC U větracích systémů se lze setkat s nepřímými rekuperačními výměníky sestavenými z tepelných trubic. Systém se používá v zimním období pro předehřev chladného venkovního vzduchu před vstupem do větraného prostoru. Zařízení využívá vysokých hodnot skupenského tepla. Pracuje tak, že odcházející teplý vzduch z větraného prostoru (tv) dodává teplo k výparu pracovní teplonosné látky v dolní části trubice, obrázek č. 7.7.
Obr. č. 7.7 Princip činnosti tepelné trubice Vzniklé páry stoupají do horní kondenzační části trubice, kde zkondenzují a vzniklé skupenské teplo temperuje chladný vzduch (tk) vstupující do větraného prostoru. Kondenzát je těžší než páry, proto klesá do spodní části trubice, kde se odpařuje … a děj se stále opakuje. Pracovní teplonosnou látkou bývá 99,8% NH3 (trubice typu „N“) nebo chemicky čistá H2O 25
(trubice typu „W“). Typ „N“ bývá určen pro použití v rozmezí teplot odcházejícího vzduchu 25°C až 80°C a typ „W“ pro 50°C až 220°C. Trubice bývají nejčastěji hliníkové. Pozn. Bod varu kapaliny je funkcí tlaku.
7.7 ODPARKY Technologická zařízení – výměníky tepla, v nichž dochází na jedné straně teplosměnné plochy k varu a na druhé ke kondenzaci a jež slouží k odstraňování těkavého rozpouštědla odpařováním od netěkavé rozpuštěné látky, se nazývají odparky. Odparky slouží obecně k zahušťování šťáv, významné operaci v potravinářství (zahušťování cukerné šťávy v cukrovarech, výroba ovocných šťáv, kondenzovaného mléka atd.). Velmi často je žádoucím produktem rozpouštědlo samotné, například regenerace rozpouštědel při extrakci, výroba pitné vody z mořské aj. Nejjednodušším zařízením pro realizaci systému var – kondenzace je duplikátorový kotel opatřený míchadlem, Obr. č 7.8. Ve vnějším prostoru kondenzuje pára, uvnitř kotle vře kapalina. Toto zařízení pracuje vsádkově a nelze je použít pro větší objemy, má výkonnostní limity.
Obr. č. 7.8 Duplikátorový kotel Modernějším zařízením je cirkulační odparka. Kapalina proudí svazkem trubek, který je ohříván zevně kondenzující parou. Při průchodu trubkami dochází k varu kapaliny, vytvořené bublinky páry strhávají sebou kapalinu, a proto dochází v trubkách k intenzivnímu proudění směrem vzhůru. Odparky jsou jednostupňové nebo vícestupňové. Jejich uspořádání může být souproudé nebo protiproudé, viz obrázky 7.9 a 7.10.
Obr. č. 7.9 Souproudá dvoustupňová odparka
26
U souproudé dvoustupňové odparky přichází nástřik do prvního stupně jako proud 1. Do topného prostoru prvního stupně je přiváděna topná pára jako proud 4, kondenzát odchází jako proud 5. Částečně zahuštěný roztok je přepouštěn z prvního stupně do druhého jako proud 2. Brýdové páry jsou odváděny z prvního stupně proudem 6 do topného prostoru druhého stupně odparky. Kondenzát druhého stupně odchází proudem 7. Roztok, zahuštěný na konečnou koncentraci opouští druhý stupeň jako proud 3, brýdové páry ze druhého stupně jsou odváděny do kondenzátoru K proudem 8. Při tomto uspořádání vře roztok v prvním stupni při vyšší teplotě a tlaku, než ve stupni druhém.
Obr. č. 7.9 Protiproudá dvoustupňová odparka U protiproudého uspořádání vře roztok v prvním stupni při nižší teplotě a tlaku, než ve stupni druhém. Protože proud 2 přechází z prostoru nižšího tlaku do prostoru tlaku vyššího, musí být v lince zařazeno čerpadlo. Obecně je z hlediska investičních nákladů i bilance spotřeby energie výhodnější protiproudé uspořádání.
8 KOMPRESOROVÝ CHLADICÍ OBĚH V mnoha technologických procesech se setkáváme s nutností ochlazovat látky na teploty nižší než je 6oC nebo 0oC. V potravinářském průmyslu je tato operace zcela běžná, zvláště při konzervaci a uplatňuje se v řadě zařízení, počínaje domácí ledničkou až po mrazírenské komplexy. Při popisu těchto aparatur se lze setkat s pojmy chlazení na nízké teploty (až do 100oC) a na hluboké teploty (pod -100oC). S hlubokými teplotami se setkáváme především u procesů, ve kterých se pracuje se zkapalněnými plyny; v potravinářství je dominantní použití tekutého dusíku. Při chlazení nebo zmrazování potravin dochází vždy ke sdílení tepla z tělesa o nižší teplotě do prostředí s vyšší teplotou (2. termodynamický zákon). Přenos tepla z místa o nižší teplotě na místo o vyšší teplotě je spojen s poklesem entropie a nemůže tudíž probíhat samovolně. Probíhá-li proces chlazení v podobě cyklu, musí být spojen s dějem, při kterém dochází k růstu entropie, tj. ke spotřebě energie, čímž se kompenzuje pokles entropie při chlazení. Kompresorový chladicí oběh je dnes nejpoužívanější systém pro chlazení. Je principiálně jednoduchý a pracuje vysoce spolehlivě. Sestává ze čtyř funkčních částí: kompresoru, kondenzátoru, škrticího (redukčního) ventilu a výparníku, viz domácí lednička a Obr. č. 8.1.
27
Obr. č. 8.1 Kompresorové chladicí zařízení Uvnitř systému obíhá látka, která se obecně nazývá chladivo. Vyznačuje se tím, že vře za určitého tlaku v systému při teplotách hluboko pod 0oC a tím odebírá teplo z okolí, které ochlazuje na požadovanou teplotu. Kompresorový chladicí oběh se obvykle znázorňuje v tepelných diagramech a to entropickém T-s nebo entalpickém log p – i (Obr. č. 8.2).
Obr. č. 8.2 Znázornění reálného kompresorového chladicího cyklu v diagramu log p – i Pro pochopení těchto diagramů bude v rámci přednášky objasněna problematika izobarického ohřevu, varu, kondenzace, tvorby mokré a přehřáté páry u kapaliny (vody) a související termíny sytá pára a kapalina. Poté bude popsán reálný tepelný diagram log p – i pro konkrétní chladivo, který se v praxi nejčastěji používá. Hlavní probíhající děje v systému kompresorového chlazení jsou: komprese nasátých sytých nebo přehřátých par z výparníku v kompresoru, jejich kondenzace (spojená s výdej tepla do okolí) v kondenzátoru, následné „škrcení“ vzniklé kapaliny (termodynamický děj, při němž se sníží tlak, aniž by se vykonala práce) v redukčním ventilu a var – vypařování (spojené s odběrem tepla z okolí, jeho ochlazování) ve výparníku. Chladicí způsoby lze rozdělit na chlazení přímé a nepřímé prostřednictvím chladicí látky, obvykle vody z důvodu její vysoké měrné tepelné kapacity (cvoda = 4,186 kJ.kg-1.K-1).
8.1 TEPELNÁ ČERPADLA U výše popsaného kompresorového chladicího systému se primárně využívá chladicí efekt výparníku. Tepelná čerpadla primárně využívají kondenzační teplo z kondenzátoru. Proto je možné se setkat s laickým konstatováním, že „tepelné čerpadlo je obrácená lednička“. 28
Vzniklým teplem v kondenzátoru se obvykle ohřívá voda pro vytápění nebo voda užitková. Podle způsobu ohřevu výparníku, resp. zdroje tepla pro jeho ohřev, se potom označují tepelná čerpadla jako „voda – voda“, „země – voda“ nebo „vzduch – voda“. V praxi se používají také tepelná čerpadla typu vzduch – vzduch. U některých průmyslových kompresorových chladicích zařízení se lze setkat i s využíváním kondenzačního tepla; tyto systémy se pak označují jako „bivalentní“.
9 MIKROVLNNÝ OHŘEV 9.1 PRINCIP Při dielektrickém ohřevu dochází k přeměně energie střídavého elektrického pole o velmi vysoké frekvenci na tepelnou energii. Děje se tak působením pole na polární molekuly materiálu. Dipóly molekul se nepřetržitě natáčejí podle okamžitého směru elektromagnetického pole a takto mění svoji orientaci až několik miliardkrát za sekundu. Přitom se využívá dvou procesů: mezimolekulárního tření, k němuž dochází při překonávání mezimolekulárních přitažlivých sil, a hystereze, která vzniká mezi působícím polem a indukovanou elektrickou odezvou vlivem setrvačnosti, jež závisí na elektrickém náboji, hmotě a tvaru molekul. Díky těmto jevům je ohřev produktu velmi rychlý a probíhá v celém objemu, ve kterém působí elektromagnetické pole na polární materiál. V případě nerovnoměrného rozmístění polárních molekul (např. vody) dochází k intenzivnějšímu ohřevu materiálu v místech s jejich vyšší koncentrací (vyšší vlhkosti). Princip dielektrického ohřevu byl objeven v souvislosti s vývojem radiolokátorů již těsně po druhé světové válce, ale komerční uplatnění našel až po více než dvaceti letech. Mikrovlnami nelze běžně ohřívat plyny.
9.2 PRAKTICKÁ REALIZACE Jestliže se vloží elektricky izolační nebo velmi málo vodivý materiál do statického elektrického pole vysokého kmitočtu, dochází k jeho záhřevu vlivem tzv. dielektrických ztrát. Prakticky se materiál vkládá mezi dvě elektrody, na které se přivádí vysoké vysokofrekvenční napětí. Vznikne tak kondenzátor, jehož dielektrikum je tvořeno ohřívaným materiálem. U těchto zařízení se teplo do materiálu dopravuje pomocí vysokofrekvenčního elektrického pole. Pro mikrovlnný dielektrický ohřev se používá kmitočtů až do 3 GHz. Zdrojem mikrovlnného záření jsou elektronky, které se označují jako magnetrony. Vysokofrekvenční energie se přivádí do pracovního prostoru, kde vznikne silné elektromagnetické stojaté vlnění. Do tohoto pracovního prostoru se vkládají předměty určené k ohřevu. Elektrická složka vlnění je rychle zahřívá, řádově desítky sekund až několik minut.
9.3 VYUŽITÍ Mikrovlnný dielektrický ohřev se využívá zejména pro ohřev jídel, sterilizaci potravin a také v průmyslu, především sušení a zpracovávání plastů. Dielektrický ohřev má řadu výhod, zejména proto, že teplo vzniká v celém objemu materiálu a lze je přesně dávkovat.
10 DESTILACE Destilace v potravinářství má velmi dlouhou tradici, neboť pochod, jehož cílem bylo zvýšení koncentrace etanolu v roztocích, vzniklých kvašením cukrů, je známý již z dávných dob. 29
V současnosti je ovšem zpracování této konkrétní látkové soustavy překonáno destilací ropy. Ta svým významem ovlivňuje nejen energetickou situaci ve světě, ale i světovou ekonomiku a politiku. Destilace je dělicí metoda založená na rozdílné hustotě a na rozdílném rovnovážném složení plynné a kapalné fáze ve vícesložkových soustavách. Při destilaci je kapalná směs dvou nebo více látek zahřívána, vznikající páry oddělovány od kapalného zbytku a kondenzovány. Proti výchozí směsi je kondenzát (destilát) bohatší na těkavější složku. Naopak zbývající kapalina má vyšší obsah méně těkavé složky. Dělicí účinek lze v podstatě zvýšit rektifikací – opakovanou destilací probíhající v rektifikačních kolonách. Kapalnou směs lze destilací rozdělit na jednotlivé složky jen tehdy, jestliže složky netvoří azeotropní směs. Destilace v kvasném průmyslu: Při varu roztoku se složení vznikajících par liší od destilačních zbytků. Míra snadnosti, se kterou se určitá složka odpařuje se nazývá těkavost a vzájemné těkavosti přítomných složek určují jejich rovnovážné stavy v systému kapalina – pára. Na různých typech destilačních zařízení se získává v lihovarech, většinou z melasové zápary, vysokoprocentní líh, obsahující podle použitého postupu jen nepatrné množství nečistot, aldehydů, esterů, vyšších alkoholů, metanolu a těkavých organických kyselin. Maximální koncentrace etanolu, které lze tímto způsobem dosáhnout je 97,6% objemových. Zbývající vodu již nelze další destilací odstranit, protože vzniklá azeotropní směs má konstantní bod varu nižší, než bod varu absolutního alkoholu (78,3oC). Další odvodnění je možné přídavkem třetí látky, jež se společně s vodou odloučí. Dehydratace lihu je možná například azeotropickou benzín-benzenovou metodou nebo trychlorethylenem. Jiný účel má destilace při výrobě ušlechtilých destilátů v pálenicích a produkčních lihovarech, kde je nutné získat chuťově harmonický, aromatický destilát, který obsahuje kromě etanolu doprovodné těkavé látky z kvasu, charakteristické pro požadovaný typ destilátu. Podobně jako při výrobě aromatických polotovarů z drog se zde užívá pro likéry a speciální lihoviny tzv. průtahové destilace. Destilace s vodní parou („přehánění“ vodní parou) vychází z toho, že při zahřívání směsi vzájemně nerozpustných kapalin vznikají nasycené páry, jejichž parciální tlak nezávisí na složení, nýbrž pouze na teplotě směsi. Teoreticky jsou tyto parciální tlaky rovny napětí par čistých složek za dané teploty. Celkový tlak par směsi se rovná součtu napětí par jejich složek v čistém stavu při téže teplotě. Bod varu této heterogenní směsi musí být tedy nižší, než bod varu kterékoli složky. Tohoto druhu destilace se používá pro izolaci eterických olejů a silic z rostlinného materiálu a k jejich rafinaci. Způsoby destilace se obvykle dělí podle dvou hledisek: - destilace jednostupňová nebo vícestupňová, - destilace periodická nebo kontinuální. Tím vznikají čtyři kombinace, jež jsou označovány i terminologicky, viz Tab. č. 10.1. Tab. č. 10.1 Základní typy destilací
Jednostupnová Vícestupňová
Kontinuální Rovnovážná destilace Rektifikace
Periodická Diferenciální destilace Periodická rektifikace
Na obrázku č. 10.1 je blokově znázorněna kontinuální destilace jednostupňová: 1 – zásobník kapaliny, 2 – ventil, 3 – topná spirála, 4 – rozdělovací nádoba, 5 – jímač odpadu, 6 – chladič, 7 – jímač destilátu.
30
Obr. č. 10.1 Kontinuální destilace jednostupňová Na obrázku č. 10.2 je blokově znázorněna periodická rektifikace 1 – varná baňka (vařák), 2 – kolona, 3 – chladič, 4 – dělič kondenzátu (trojcestný ventil), 5 – zásobník destilátu.
Obr. č. 10.2 Periodická rektifikace Na obrázku č. 10.3 je blokově znázorněna kontinuální rektifikace s nástřikem do vařáku: 1 – zásobní lahev, 2 – varná baňka, 3 – jímač odpadu, 4 – kolona, 5 – chladič, 6 – dělič kondenzátu, 7 – jímač destilátu.
Obr. č. 10.3 Kontinuální rektifikace s nástřikem do vařáku 31
Na obrázku č. 10.4 je blokově znázorněna kontinuální rektifikace s nástřikem do kolony: 1 – zásobní lahev, 2 – topná spirála, 3 – kolona, 4 – chladič, 5 – dělič kondenzátu, 6 – zásobník destilátu, 7 – jímač destilátu.
Obr. č. 10.4 Kontinuální rektifikace s nástřikem do kolony
11 VLHKÝ VZDUCH 11.1 VLHKÝ VZDUCH – CHARAKTERISTIKA Vlhký vzduch je typickým představitelem směsi plynů a par. Podle Daltonova zákona platí, že součet parciálních tlaků jednotlivých složek pi dává tlak celkový p: p pi . Pokud je parciální tlak vodní páry ve směsi nižší, než syté vodní páry při dané teplotě vlhkého vzduchu, obsahuje směs přehřátou vodní páru – vzduch je nenasycen vlhkostí. Dodává-li se nenasycenému vlhkému vzduchu při stálém celkovém tlaku a teplotě další vodní pára, vzrůstá její parciální tlak až dosáhne hodnoty parciálního tlaku syté páry a získáme tak vzduch nasycený vlhkostí tvořený suchým vzduchem a sytou vodní parou. V rovnovážném stavu nemůže být parciální tlak páry vyšší, než tlak syté páry odpovídající dané teplotě. V nasyceném vlhkém vzduchu je proto obsaženo maximální množství páry, kterou může vzduch za daných podmínek pojmout. Při větším množství vlhkosti se nadbytečná voda vysráží ve formě kapiček syté kapaliny (vodní mlha, t ≥ 0oC) nebo ve formě ledových krystalků, jinovatky, sněhu (ledová mlha t ≤ 0oC) – vzduch je přesycený vlhkostí. Při celkových tlakových poměrech, obvyklých v okolním prostředí potravin při jejich zpracovávání, skladování nebo balení, lze směs suchého vzduchu a vodní páry (přehřáté i syté) s dostatečnou přesností pokládat za směs ideálních plynů. Další vlivy, jako například závislost měrného tepla vody a ledu na teplotě, rozpustnost vzduchu v kapalině, vliv celkového tlaku na parciální tlak syté vodní páry v přesyceném vzduchu, jsou za daných podmínek nevýznamné. Používané indexy: v – suchý vzduch, p – přehřátá vodní pára, p" – sytá vodní pára, k – sytá kapalina, t – tuhá fáze, bez indexu – vlhký vzduch. Pro vlhký vzduch pak platí: - Hmotnost vlhkého vzduchu: m = mv + mp + mk + mt [kg]. - Objem suchého vzduchu a vodní páry je roven objemu vlhkého vzduchu (objem vodních kapiček i ledových krystalků, pokud se ve směsi vyskytují, je zanedbatelný): Vv = Vp = V [m3]. 32
- Daltonův zákon; celkový tlak vlhkého vzduchu se rovná součtu parciálního tlaku suchého vzduchu a parciálního tlaku vodní páry p = pv + pp [Pa]. - Stavová rovnice suchého vzduchu pv.V = mv.rv.T . Plynová konstanta suchého vzduchu rv ≈ 287 J.kg-1.K-1. - Stavová rovnice vodní páry pp.V = mp.rp.T Plynová konstanta vodní páry rp ≈ 462 J.kg-1.K-1. - Měrná tepla za stálého tlaku pro suchý vzduch, vodní páru, vodu i led jsou konstantní.
11.2 VYJADŘOVÁNÍ VLHKOSTI VE VLHKÉM VZDUCHU Vlhkost vzduchu (množství vody ve vzduchu) se v praxi vyjadřuje třemi způsoby, jako vlhkost absolutní, měrná a relativní, kterou lze přímo měřit, např. vlhkoměry vlasovými, elektronickými – obvykle s kapacitními čidly.
11.2.1 Absolutní vlhkost vzduchu Absolutní vlhkost vzduchu Φ vyjadřuje hmotnost vodní páry, případně vody a ledu, obsažené v objemové jednotce vzduchu: m p mk mt [kg.m-3]. V V nenasyceném a nasyceném vlhkém vzduchu, kdy mk = mt = 0, je absolutní vlhkost rovna měrné hmotnosti vodní páry ςp: mp mp p [kg.m-3]. V Vp Platí V = Vv = Vp.
11.2.2 Měrná vlhkost vzduchu Měrná vlhkost vzduchu x (d) V převážné většině dějů, které se konají s vlhkým vzduchem, zůstává hmotnost suchého vzduchu konstantní. Platí to bez výjimky pro obvyklé potravinářské technologie (sušení, skladování, balení, …). Je proto účelné vztahovat množství vlhkosti na konstantní hmotnost suchého vzduchu, standardně 1 kg. Měrná vlhkost vzduchu x (d) udává množství vlhkosti v kg (nebo gramech), jež je obsaženo ve vzduchu, jehož suchá část má hmotnost 1 kg: m p mk mt x [kg.kg-1]. mv Měrná vlhkost je tedy hmotnost vlhkosti připadající na 1 kg suchého vzduchu ve vzduchu vlhkém, to je připadající na (1+x) kg vzduchu vlhkého.
11.2.3 Relativní vlhkost vzduchu Relativní vlhkost vzduchu φ udává poměr mezi hmotností vodní páry obsažené v objemové jednotce vlhkého vzduchu a hmotností vodní páry, která by byla v daném objemu obsažena,
33
kdyby byl za stejných podmínek (teplota a tlak) vzduch vlhkostí nasycen to znamená, kdyby vzduch obsahoval sytou vodní páru. Vzhledem k definici absolutní vlhkosti je relativní vlhkost poměr absolutní vlhkosti nenasyceného, eventuálně nasyceného, vzduchu a absolutní vlhkosti vzduchu nasyceného za stejných podmínek (teplota a tlak). Na základě definice relativní vlhkosti platí: pp
p rp T p p [-]. pp p pp
rp T Z výše uvedené rovnice je zřejmé, že relativní vlhkost je funkcí poměru parciálních tlaků vodní páry vzduchu měřeného k parciálnímu tlaku téhož vzduchu nasyceného vlhkostí při stejné teplotě: φ = f(pp). Relativní vlhkost suchého vzduchu φ = 0. Relativní vlhkost vzduchu nasyceného vlhkostí φ = 1. V praxi se relativní vlhkost udává obvykle v procentech, což je φ.100 [%]
11.3 PSYCHROMETRICKÝ DIAGRAM VLHKÉHO VZDUCHU (Nebo také i-x, i-d, h-x, h-d diagram vlhkého vzduchu, Molierův diagram) V technice prostředí, sušárenských technologiích, při skladování, balení atp. probíhají pochody s vlhkým vzduchem obvykle za stálého, nejčastěji atmosférického, tlaku. Z hlediska potravinářství je zásadní interakce potravina – vlhký vzduch. Pro výpočet a hlavně pochopení těchto pochodů lze s výhodou použít i-x diagram vlhkého vzduchu, viz Příloha č. 2. Z tohoto diagramu lze odečítat přímo následující parametry: teplotu t [oC], měrnou vlhkost x [kg.kg-1], relativní vlhkost φ [%] a entalpii i (h) [kJ.kg-1]. V praxi jsou významné především změny těchto parametrů a jejich predikce. Psychrometrický diagram lze rozdělit na tři oblasti: vzduch nenasycený vlhkostí (φ < 1), vzduch nasycený vlhkostí (φ = 1) a vzduch přesycený vlhkostí (dochází ke kondenzaci vlhkosti). i-x diagram je izobarický diagram, obvykle konstruovaný pro atmosférický tlak. Ve středoevropském regionu se obvykle znázorňuje v souřadném systému měrná vlhkost vs. teplota. V anglosaské literatuře je to obvykle v obráceném systému os teplota vs. měrná vlhkost, viz obrázek č. 11.1.
Obr. č. 11.1 Psychrometrický diagram (Psychrometric Chart) vlhkého vzduchu 34
11.4 ZMĚNY VE VLHKÉM VZDUCHU A JEJICH ZNÁZORNĚNÍ V i-x DIAGRAMU Základní změny ve vlhkém vzduchu: - Ochlazování a ohřev vlhkého vzduchu v oblasti nenasycené vlhkostí (x = konst.). Stanovení potřebného množství tepla k ohřevu, resp. pro ochlazení vzduchu, změna entalpie Δi. - Ochlazování vlhkého vzduchu do oblasti přesycené vlhkostí s následným ohřevem. Kondenzace vlhkosti jako izobaricko-izotermická změna. Odečtení množství vysrážené vlhkosti z diagramu. Stanovení potřebného množství tepla k ohřevu, resp. pro ochlazení vzduchu, změna entalpie Δi. - Směšování vlhkého vzduchu o známých parametrech. Stanovení výsledných parametrů vytvořené směsi. Stanovení parametrů vzduchu před směšováním k dosažení požadovaných parametrů směsi.
11.5 ODPAŘOVÁNÍ VODY Z VOLNÉ HLADINY Stýká-li se vodní hladina s proudícím vzduchem, nastává buďto odpařování nebo srážení vody. Na hladině jsou částečky (molekuly) vody a vzduchu v rovnováze. Teplota vody a vzduchu stýkajících se na hladině musí být stejná, neboť při sebemenším teplotovém rozdílu nastává ihned odpařování, což má za následek vyrovnání teplot. Podobně je parciální tlak syté vodní páry p"p,voda vznikající z vodní hladiny roven parciálnímu tlaku vodních par vzduchu na hladině p"p,vzduch. Platí, že vzduch těsně nad hladinou je vždy nasycen vlhkostí, φ = 100%. Jestliže dojde k porušení tlakové rovnováhy na hladině v důsledku proudění nebo difúze (p"p,vzduch > pp,vzduch), nastává odpařování vody. Diagram na obrázku č. 11.2 ukazuje průběh teploty t nad a pod vodní hladinou a průběh měrné vlhkosti d a parciálního tlaku vodní páry pp, resp. relativní vlhkosti φ u vlhkého vzduchu nad vodní hladinou.
Obr. č. 11.2 Odpařování vody z volné hladiny do vlhkého vzduchu
11.6 PSYCHROMETRIE Nejpřesněji lze stanovovat relativní vlhkost vlhkého vzduchu psychrometrickou metodou pomocí tzv. suchého a mokrého teploměru (Obr. č. 11.3). Tento princip se využívá také pro predikci „konečné“ teploty sušeného vlhkého materiálu ve známých parametrech prostředí (s využitím i – x diagramu Obr. č. 11.4).
35
Obr. č. 11.3 Suchý a mokrý teploměr, psychrometr
Obr. č. 11.4 Psychrometrické stanovení relativní vlhkosti vzduchu pomocí suchého a mokrého teploměru
12 CHARAKTERISTIKA VLHKÝCH MATERIÁLŮ, KINETIKA SUŠENÍ Při analýzách procesu sušení (dehydratace) nahlížíme na vlhký vzorek jako na materiál sestávající ze dvou složek: sušiny a vody.
12.1 VYJADŘOVÁNÍ VLHKOSTI VZORKŮ Potraviny jsou vesměs vlhké materiály, sestávají ze sušiny (skeletu) a vody, platí: M = Ms + Mv [kg], kde M – hmotnost vlhkého materiálu, Ms – hmotnost sušiny, Mv – hmotnost vody. Vlhkost materiálu se v zásadě vyjadřuje dvěma způsoby: - Procentický obsah vlhkosti w [%]: w
Mv M Ms 100 100 [%]. M M 36
- Měrná vlhkost u [kg.kg-1, g.kg-1]:
u
Mv M Ms [kg.kg-1, g.kg-1]. Ms Ms
Vzájemný přepočet obou vyjádřených vlhkostí lze provést následným způsobem: u w 100 [%], 1 u u
w [kg.kg-1]. 100 w
Obdobně lze vyjadřovat Ms nebo M v kg pomocí w (u): Ms Mv M Ms
100 w 100 w [kg], M w 100
100 100 [kg]. Mv 100 w w
V anglosaské literatuře se lze setkat s vyjádřením vlhkosti u vzorků ve formě MC (w.b.) nebo MC (d.b.); značí „Moisture Content (wet basis, dry basis). Příklady: M MC d .b. v [kg.kg-1], Ms M MC w.b. v [kg.kg-1]. M
12.2 DEHYDRATACE POTRAVIN Potraviny jsou vesměs vlhké materiály. Dehydratace znamená snížení obsahu vody na potřebnou úroveň. Tuto úroveň určuje účel dehydratace, který je obvykle dvojí: - Zlepšení trvanlivosti potravin, jelikož snížení obsahu vody nebo její odstranění je jednou z forem konzervace. - Zlepšení ekonomiky balení, dopravy a distribuce, jelikož obsah vody má značný vliv na tyto náklady. Přítomnost vody je nezbytnou podmínkou růstu mikroorganismů v potravinách. Některé mikroorganismy jsou nezbytné pro výrobu určitých potravin, zatímco jiné znamenají jejich znehodnocení. Boj s těmito, obvykle jednobuněčnými organismy, je základem mnoha technologií při průmyslovém zpracování potravinářských surovin. Většina těchto procesů se snaží omezit nebo zabránit růstu mikroorganismů. Toho lze dosáhnout buď tepelným opracováním (sterilací, pasterací, zmrazováním), přidáním chemických konzervačních činidel nebo odstraněním vody jako jedné z podmínek života mikroorganismů. Nejvýznamnější způsoby dehydratace jsou: - Mechanicky: působení silového pole (odstřeďování, filtrace, lisování, sedimentace, …). - Hydraulicky: tlakový nebo koncentrační gradient (membránové procesy, extrakce, destilace,…). - Tepelně: teplotový gradient (odpařování, sušení).
37
12.3 KINETIKA SUŠENÍ VLHKÝCH MATERIÁLŮ Sušení je fyzikální děj, při němž se účinkem tepla snižuje obsah vlhkosti v látkách, anž se mění jejich chemické složení. Při sušení potravin je navíc třeba dbát na to, aby se nezničila jejich nutriční a vitamínová hodnota a aby se co nejvíce zachovala, případně zlepšila, chuť, vůně a barva materiálu. Sušení je proces současného sdílení tepla a hmoty – vlhkosti, při němž je vlhkost vázaná v materiálu uvolňována, v důsledku hnacích sil přenášena na povrch materiálu a odtud do sušicího prostředí. K tomu, aby bylo možno usušit materiál, je nutné splnit dva základní požadavky: - Přivést dostatečné množství tepla, které dodá latentní výparné teplo vodě obsažené v materiálu, což je přibližně 2300 kJ na odpaření 1 kg vody. - Umožnit transport vlhkosti, tj. pohyb vody a vodní páry v materiálu směrem k jeho povrchu a odtud je odvést sušicím médiem, obvykle sušicím vzduchem. (Za podmínek konstantních parametrů prostředí: teploty t, relativní vlhkosti φ a rychlosti proudění c) Průběh sušení vlhkých materiálů ve vzduchu o známých parametrech (konstantní teploty t, relativní vlhkosti φ a rychlosti proudění c) se obvykle znázorňuje soustavou grafů, jež ukazují závislost změny hmotnosti vzorku na čase (M – τ), změny vlhkosti vzorku na čase (w – τ nebo dw , viz obrázek č. 12.1 a rychlost sušení vzorku u – τ), rychlosti sušení vzorku na čase d dw w , viz obrázek č. 12.2. na změně jeho vlhkost d
Obr. č. 12.1 Fáze sušicího procesu v diagramech vlhkost vs. čas a rychlost sušení vs. čas
38
Obr. č. 12.2 Diagram rychlost sušení vs. vlhkost materiálu
dw konst. , Fáze I představuje prohřev materiálu, fáze II konstantní rychlost sušení d odpařování volné vody ze vzorku; tento stav lze přirovnat k odpařování vody z volné hladiny, viz kapitola 11.5. Klesající rychlost sušení, fáze III, představuje odpařování vázané vody až do stavu dosažení rovnováhy (nulové sdílení tepla a hmoty) mezi vzorkem a okolním vzduchem, to znamená dosažení rovnovážné vlhkosti vzorku we. Proces sušení se popisuje matematickými modely, jejichž forma je závislá od vazeb vlhkosti v sušeném materiálu i od parametrů prostředí. Základní rovnice sušení má tvar: dw k w we [%.s-1], d
kde: wτ je vlhkost vzorku v čase, τ je čas, k je sušicí konstanta charakterizující materiál a we je rovnovážná vlhkost vzorku odpovídající parametrům daného prostředí. Platí: wτ > we wτ < we
dochází k sušení materiálu, dochází ke zvlhčování materiálu,
dw 0. d Řešením diferenciální rovnice sušení (viz výše) metodou separace proměnných se získá veličina nazývaná vlhkostní poměr (moisture ratio) wr:
wτ = we
nedochází ke změnám, bylo dosaženo rovnováhy, derivace
w we [-], w0 we kde w0 je vlhkost vzorku na počátku, to znamená v čase τ = 0. wr
Rovnice sušení se potom často vyjadřuje ve tvaru:
wr exp k [-].
12.4 ZMĚNY V SUŠICÍM VZDUCHU Při sušení dochází ke sdílení vody mezi vlhkým materiálem a okolním prostředím – vlhkým vzduchem, který se sytí vlhkostí. U teoretické sušárny, obvykle porovnávacího zařízení, 39
probíhá tato změna adiabaticky (i = konst.), to znamená jako v izolované tepelné soustavě. U skutečné sušárny dochází ke ztrátám tepla do okolí. Proto je energetická náročnost u reálného zařízení o tuto hodnotu vždy vyšší. Při využití i – x diagramu vlhkého vzduchu lze určovat vzájemně související parametry prostředí (t, φ, x, i) na počátku a na konci procesu sušení. Poznámka: Při charakterizování sušení v potravinářství se lze v některých literárních zdrojích setkat s přívlastkem osmotický. Je to proto, že transport vlhkosti z materiálu na jeho povrch (poté následuje sdílení vody do prostředí) probíhá přes buněčné blány, jež se chovají jako polopropustné membrány. Tyto membrány propouští pouze vodu (rozpouštědlo) a nikoli, nebo jen velmi omezeně, rozpuštěné látky. Osmóza je koligativní vlastnost a následkem rozdílné fugacity rozpouštědla na obou stranách membrány probíhá až do vyrovnání fugacity rozpouštědla v celé soustavě (vyjadřuje se parciálními tlaky). Osmóze lze zabránit, působí-li se na membránu vnějším tlakem, jehož kritická hodnota se nazývá osmotický tlak.
13 VODNÍ AKTIVITA JAKO PARAMETR KVALITY POTRAVIN 13.1 ÚVOD Aktivita obecně je významná termodynamická veličina. Svým charakterem by se dala přirovnat k řadě jiných parametrů, které se v termodynamice sledují, zjednodušeně například k teplotě. Pro určitou složku i v soustavě se aktivita definuje poměrem fugacity fi dané složky 0 v určitém stavu k fugacitě téže složky ve standardním stavu f i při konstantní teplotě T: f ai i0 . fi Protože fugacita je funkcí tlaku, velmi často se tímto parametrem také vyjadřuje. Obvykle je to parciálním tlakem dané složky i v soustavě. Numericky je aktivita závislá na definování standardního stavu, jemuž se přisuzuje jednotková hodnota. Aktivita umožňuje srovnání vlastností soustavy v určitém reálném stavu s vlastnostmi téže soustavy ve standardním stavu, je mírou rozdílu chemických potenciálů mezi těmito dvěma stavy a je funkcí všech proměnných, jež určují stav sledované soustavy. V praxi jsou to v zásadě teplota, tlak a složení vlastní soustavy. Chemický potenciál μ je veličina, která je funkcí všech proměnných určujících stav soustavy, viz předešlý odstavec. Pomocí μ lze formulovat obecnou podmínku rovnováhy ve vícesložkové soustavě o několika fázích. Platí, že soustava je v rovnováze, jestliže jsou μi libovolné složky i je ve všech fázích stejné. Chemický potenciál má funkci analogickou s funkcí teploty. Tak jako je teplotní rozdíl příčinou toho, že teplo přechází z jednoho tělesa na druhé, tak lze rozdíl chemických potenciálů považovat za příčinu reakcí a změn vedoucích k rovnováze soustavy. Termodynamicky se chemický potenciál vyjadřuje ve formě:
0 RT ln a , kde 0 je chemický potenciál ve standardním stavu, R je plynová konstanta, T je teplota a a je termodynamická aktivita konkrétní sledované složky. Potraviny jsou vesměs vlhké materiály. Voda ovlivňuje řadu jejich vlastností fyzikálních, chemických a ve významné míře také mikrobiologických. Proto má měření aktivity vody aw v potravinářství značný praktický význam. Vodní aktivita se stanovuje vždy ve stavu rovnováhy 40
mezi analyzovanou potravinou a prostředím, které ji obklopuje. Tento stav je charakterizován nulovým sdílením tepla a vlhkosti, to znamená také konstantní teplotou T. Při dosažení rovnovážného stavu má potravina i okolní vlhký vzduch stejný chemický potenciál, viz rovnice výše a tím také stejnou aw. Na základě platnosti tohoto principu se v praxi stanovuje vodní aktivita u potravin. Při měřeních se vychází z hodnot rovnovážné relativní vlhkosti okolního vzduchu φe. Na základě výše uvedeného se vodní aktivita potravin definuje poměrem parciálních tlaků vodní páry nad vzorkem pp a syté vodní páry pp” ve vzduchu za stejných podmínek: pp aw .[-]. pp Na stejné bázi je však definována také relativní vlhkost vzduchu φ, kap. 11.2: p p 100 [%]. pp Z předešlých rovnic je zřejmé, že lze vodní aktivitu potom vyjádřit jako:
aw
e [-], 100
což je pro praxi nejjednodušší a také nejběžnější. Nutnou podmínkou je ale dodržení základního požadavku pro platnost této definice: vlhký testovaný vzorek musí být v rovnováze s okolním prostředím, to znamená, že musí být dosaženo nulového sdílení tepla a vlhkosti mezi vzorkem a okolím, jak je uváděno výše. Dosažený rovnovážný stav vzorku se definuje jeho rovnovážnou vlhkostí we.
13.2 METODY MĚŘENÍ VODNÍ AKTIVITY Metody pro měření vodní aktivity jsou založeny na principu dosažení rovnovážného stavu mezi vzorkem a okolním vzduchem o známé teplotě a relativní vlhkosti, viz úvodní část. Dnes nejpoužívanější metody jsou gravimetrická, manometrická a přímá hygrometrická.
13.2.1 Gravimetrická metoda Při měření vodní aktivity gravimetrickou metodou se sledují změny hmotnosti analyzovaného vzorku a určuje se jeho stav rovnováhy s prostředím za předem zvolené teploty a relativní vlhkosti. Testy mohou probíhat ve statickém nebo dynamickém, to znamená proudícím, prostředí. Registrace změn hmotnosti může být prováděna kontinuálně nebo cyklicky. Dynamické prostředí zkracuje dobu měření, neboť urychluje sdílení tepla a vlhkosti. Může však od určité rychlosti proudění způsobovat nestabilitu měřicí aparatury. Kontinuální snímání změn hmotnosti zvyšuje vždy přesnost testů.
13.2.2 Manometrická metoda Při měření vodní aktivity manometrickou metodou se sledují změny parciálního tlaku vodní páry v limitovaném objemu vzduchu těsně nad vzorkem citlivým měřicím zařízením. Vyhodnocuje se stav rovnováhy při předem zvolené teplotě. Schéma měřicí komůrky je znázorněno na obrázku č. 13.1.
41
1- Potravina 3- Teplotové a vlhkostní čidlo 2- Vodní pára v ovzduší 4- Izolace Obr. č. 13.1 Schéma měřicí komůrky pro stanovování vodní aktivity manometrickou metodou
13.2.3 Hygrometrická metoda Hygrometrická metoda principiálně vychází z daného a přímo měřeného obsahu vlhkosti vzorku, pro který se určuje rovnovážná relativní vlhkost vzduchu. Na základě známé teploty a relativní vlhkosti vzduchu při dosažené rovnováze se potom stanovuje vodní aktivita. Vlhkost analyzovaného vzorku se sleduje přímo, obvykle měřením některé elektrické veličiny závislé na obsahu vody v materiálu. V praxi je to převážně elektrická vodivost. Protože se u této metody měří vlhkost vzorku přímo, nazývá se tato metoda často také jako přímá hygrometrická metoda, na rozdíl od předešlých nepřímých metod gravimetrické a manometrické.
13.3 VODNÍ AKTIVITA A RŮST MIKROORGANISMŮ Růst mikroorganismů v biologických materiálech je určován vnitřními a vnějšími faktory. Vnitřní faktory jsou pro určitý materiál dány a tvoří jeho neměnnou součást, mají svoje pevné, jen málo variabilní hodnoty. Je to především složení biologické hmoty, pH a uváděná vodní aktivita. Pod pojmem vnější faktory označujeme prostředí, v němž se biologický materiál nalézá. Je to hlavně teplota a relativní vlhkost okolního vzduchu. Tyto faktory určují, zda dojde k růstu nebo úhynu mikroorganismů, mají své optimum a také své minimum. Přehled o hodnotách aw, které jsou limitující pro pomnožení a nárůst vybraných mikrobů, významných pro lidské zdraví, podává níže uvedená Tab. č. 13.1 (Beuchat, 1981). Tyto limity jsou absolutní, to znamená, že pod uvedenou limitující hodnotu aw není příslušný mikroorganismus schopen růstu, a to i když ostatní faktory jsou optimální. Současně je třeba ale uvést, že limity platí pro pomnožování nebo pro nárůst. Mikroorganismy jsou schopny v menší nebo větší míře latentně přežívat uvedené limity, i když postupně v nepříznivých podmínkách hynou. Obecně platí, že pro hodnoty aw < 0,6 nenastává rozvoj mikrobů. Vodní aktivita, jako jeden z hlavních vnitřních faktorů biologických látek, bývá používána pro predikci možných mikrobiálních změn v zemědělských produktech, zvláště v potravinách a to nejen při jejich skladování a balení, ale i během jejich zpracovávání. Významná je možnost využití této veličiny při analýzách kinetiky sorpcí vlhkosti, neboť termodynamicky vychází z rovnovážné vlhkosti materiálu we. Koncept „vodní aktivity“ byl zaveden, jako charakteristika stavu vody v biologických materiálech ve vztahu k rozvoji mikroorganismů ve druhé polovině minulého století. Během tohoto krátkého období byla aw zahrnuta do legislativních norem, především pro potraviny, v řadě zemí Evropy, Ameriky i Asie. V zámoří to jsou například USA, Kanada a Japonsko. V rámci zemí EU platí rozhodnutí 92/447/EWG o limitní hodnotě aw = 0,93 pro vybrané masné výrobky, ISO 21807 z roku 2004 Microbiology of food and animal Feeding stuffs – Determination of water activity a nejnověji potom nařízení komise Evropského společenství číslo 2073/2005 ze dne 15. listopadu 2005 o mikrobiologických kritériích pro potraviny. 42
Používání aw, jako jednoho z mikrobiologických kritérií, je rovněž doporučeno při provádění postupů založených na zásadách HACCP. Poznatky o aw jsou aplikovány i v oblasti výzkumu a analýz kvality krmiv, při skladování biomasy – dřevního odpadu, pilin, štěpky aj. Tab. č. 13.1 Minimální hodnoty vodní aktivity pro rozvoj vybraných mikroorganismů Mikroorganismus Aspergillus clavatus A. echinulatus A. ochraceus A. parasiticus Clostridium botulinum Monascus bisporus Penicillium cyclopium P. expansum P. islandicum P. martensii P. patulum P. viridicatum Salmonella spp. Stachybotrys atra Staphylococcus aureus
Min. aw pro růst 0,85 0,6-0,65 0,77-0,83 0,82 0,93-0,97 0,6-0,65 0,82-0,87 0,83-0,85 0,83 0,79-0,83 0,81-0,85 0,83 0,92-0,95 0,94 0,86
Min. aw pro produkci toxinů 0,99 (patulin) 0,83-0,87 (ochratoxin) 0,87 (aflatoxin) 0,94-0,97 0,97 (penicillic acid) 0,99 (patulin) 0,99 (penicillic acid) 0,85-0,95 (patulin) 0,83-0,86 (ochratoxin) 0,94 (stachybotryn) 0,87-0,97 (enterotoxin A, B)
14
POTRAVINÁŘSKÁ TECHNIKA V MASNÉM PRŮMYSLU
14.1
PORÁŽENÍ A JATEČNÉ OPRACOVÁNÍ
Poražení a opracování je první výrobní fází v masném průmyslu – získá se maso a vedlejší jatečné produkty. Na jatkách je práce organizována na kontinuálních linkách, kde jsou zvířata opracovávána ve visu případně vleže. K zavěšení se používají plocháčové dráhy nebo euroháky zavěšené na tyčích kulatého průměru.
14.1.1 Přihánění zvířat na porážku Přihánění zvířat musí být šetrné. Používají se naháněcí uličky, vodorovné nebo šikmé dopravníky. Pro závěrečnou část přesunu prasat k omračovacímu místu se používá V dopravník (fixace dvěma šikmými destičkovými dopravníky z boku) nebo pásový dopravník (prase leží rozkročmo).
14.1.2 Omračování Vlastní porážka začíná omráčením, smrt nastává až při vykrvení ztrátou krve. Omračování vede k bezvědomí, udržovaném až do smrti, zaručí ztrátu citlivosti a vnímání po celou dobu vykrvování. Zvíře musí být před porážkou fixováno.
43
Způsoby omračování: Mechanické omračování - úderem na čelní kost, skot fixován v omračovací pasti, do níž vstoupí a po omráčení vypadne uvolněnou bočnicí (záklopka se otevře vahou zvířete), pak se past samočinně zavře a zajistí. Zařízení: - porážecí pistole s volným nebo vázaným projektilem projektilem je čep (průbojník, úderník, jehla) spojený s pístem uvnitř pistole, po výstřelu je píst s čepem zasunut zpět do původní polohy pomocí pružiny. - pneumatické omračovací pistole pohyb projektilu se nevyvolá výstřelem, ale stlačeným vzduchem.
Obr. 14.1 Porážecí pistole (http://www.reznickepotreby.cz) Omračování elektrickým proudem Používá se u prasat, drůbeže, méně často u skotu. Omračuje se střídavým proudem. Podle výše napětí se rozlišuje elektrokóma, elektrošok, vysokovoltové omračování Zařízení: omračovací kleště nebo omračovací vidlička.
Obr. 14.2 Omračovací kleště http://www.masoprofit.cz Chemické omračování K chemickému omráčení se používá oxid uhličitý ve směsi s plyny Zařízení: - pásový dopravník, na němž prasata zajedou do nádrže s CO2, - pařížské (ruské) kolo - prasata spouštěna v uzavřených boxech do prostoru s CO2 - gondoly svisle sjedoucí dolů.
14.1.3 Vykrvení Vykrvení musí být zahájeno bezprostředně po omráčení, musí být rychlé a úplné. Provádí se řezem - naříznutím nejméně 2 krčních cév nebo cév, ze kterých tyto vycházejí. Krev vytéká do vykrvovacího žlabu. Z hygienických důvodů je nutný systém dvou nožů (sanitace v sanitéru působením horké vody min 82 oC). Vykrvení při těžení krve vpichem do aorty nebo srdce dutým nožem.
44
14.1.4 Opracování povrchu těla Z povrchu těla se odstraňuje se pokožka s chlupy (prasata se paří a odštětinují) nebo se stahuje celá kůže (skot). Paření prasat Paření je prvním krokem k odstranění pokožky a štětin. Paří se při teplotách 58-65 oC, doba je nepřímo úměrná teplotě. Je používán způsob paření vleže, ve visu ve vaně, postřikem nebo v prostředí nasycené vodní páry. Odštětinování prasat Odštětinování následuje po napaření. Odštětinovávací stroje tvoří válce s gumovými nebo kombinovanými (guma + kov) škrabkami. Povrch těla je současně omýván postřikem teplou vodou. Ruční odštětinování se provádí pomocí zvonku, nože.
Obr. 14.3 Odštětinovací zařízení http://www.masoprofit.cz Dočištění povrchu těl prasat Dočištění povrchu těl se provede opálením plynovými hořáky ručně vedenými nebo sestavenými do opalovacích pecí. K dočištění se používají při domácích porážkách směsi, jejich hlavní složkou je kalafuna. Stahování kůží skotu Stahováním kůže skotu končí nečistá část porážky. Stahování se provádí ručně, mechanicky a pneumaticky. Používají se různé typy stahovacích zařízení
14.1.5 Eviscerace Eviscerace (vyjímaní vnitřních orgánů) musí být provedena rychle, do 45 minut po omráčení Jícen a konečník se podvazují. Vyjmuté orgány podléhají veterinární kontrole, pohybují se zavěšené na háku nebo na miskách či páse pohybují synchronně s drahou, na níž visí tělo.
14.1.6 Půlení Při půlení je řez veden středem páteře těl. Půlí se sekáčem, okružní nebo listovou pilou.
14.1.7 Chlazení Jatečně opracovaná těla se chladí vzduchem, vodou, dusíkem a oxidem dusným, kombinací vody a sněhu CO2.
45
14.2
BOURÁNÍ A SEPAROVÁNÍ MASA
Účelem bourání je rozdělení těl na menší části, získání masa stejné jakosti, snazší manipulace, úprava, vykostění a odstranění nežádoucích částí. Podle dalšího použití se rozlišuje bourání pro výsek, výrobu nebo mrazírny.
14.2.1 Bourání Teplota v bourárně může být maximálně 12 oC. Čerstvé maso přichází do bourárny plynule po závěsné dráze, rozbourané se přesunuje hned do chladírny nebo mrazírny. Pracovní místa jsou dostatečně osvětlena. Technologické zařízení sestává z pásových dopravníků z nerezu. Na začátku je pásová nebo disková pila nebo diskový nůž, bývají počítačem řízené, pracovníci kontrolují navedení půlky na pilu pomocí laserového paprsku. Další zařízení: stahovačka kůží a mechanický separátor na dočištění kostí. Vybourané, vykostěné části masa se ukládají do nerezových vozíků, do přepravek, ohradových palet, zavěšují se na nerezové háky (stromeček).
14.2.2 Separování masa Separátory se používají k získání strojně odděleného masa, které se používá se do masných výrobků. Dojde k nadrcení kostí a porušení buněčné struktury masa, odstranění zbytků masa z kostí. Typy separátorů: Šnekový separátor Funguje na principu řezačky s pasírkou. Masité kosti jsou rozdrceny na masokostní drť, která je přes síto separační hlavy protlačena jako masová pasta a kostní drť jde jinou cestou. Hydraulický separátor Pracuje jako hydraulický lis. Surovina je pístem rozdrcena, tlakem je z kostí strhána masová pasta a vytlačována buď skrz systém soustředných kroužků v hlavě přístroje nebo skrz systém lamel a otvorů kolem lisovacího prostoru, do lisovacího prostoru se zasouvá pomocný kuželový píst, který může mít otvory, jimiž se odvádí mas. pasta Bubnový separátor Silnostěnný děrovaný buben, materiál je něj tlačen zvenčí pomocí pryžového elastického pásu; masová pasta jde otvory dovnitř bubnu a je odtud odstraněna šnekovým dopravníkem a tužší součásti (vazivo, kosti) zůstanou zvenčí a jsou odstraněny nožem. Stroje, které odstraňují kosti z částí těl jatečných zvířat - např. kosti z kýt a plecí jsou vytahovány pomocí navijáku nebo vytlačovány pomocí tvarované raznice.
14.3
MASNÁ VÝROBA
V masné výrobě jsou pordukovány nejrůznější druhy salámů, párků, klobás, uzených mas a dalších masných výrobků.Mezi operace masné výroby patří zejména solení, mělnění, míchání, narážení, uzení, tepelné opracování, sušení a fermentace.
46
14.3.1 Solení Solný lák (NaCl + dusitanova solicí směs) se aplikuje na sucho, ponořením masa do láku nebo nastřikováním. K nastřikování se používají mnohojehlová nastřikovací zařízení – lák se nastříkne vpichem velkého množství dutých odpružených jehel s více otvory přímo do svaloviny. Na dopravním pásu se pohybují kusy masa, v místě vstřiku se pohybuji kolmo nahoru a dolů jehly.
Obr. 14.4 Nastřikovací zařízení, jehly (http://www.injectstar.com)
14.3.2 Masírování Lepšího a rovnoměrného rozmístění nakládacího láku v mase lze dosáhnout mechanickým opracováním- mechanickou aktivací proteinů (MAP). Pro mechanické opracování byly vyvinuty různé stroje pracující na principu masírování - mačkání, přepadávání, popřípadě propichování. Maso se pohybuje v otáčejícím se zařízení – masírkách – nebo se promíchává ve stojaté nádobě míchadly. Při přepadávaní v tumbleru je maso vyzvednuto v otáčejícím se zařízení s různě konstruovanými přepážkami do výše, přepadne a při dopadu je mechanicky namáháno. V zařízení, které tvoří tři bubny (jejich osy svírají úhel 120 °) jsou na dně bubnů jehly. Tumblery jsou obvykle vakuové.
Obr. 14.5 Masírovací zařízení (http://www.injectstar.com)
14.3.3 Mělnění a míchání Mělněním a mícháním se vytváří tzv. dílo, které má dvě základní složky: spojku a vložku. Ke krájení se používají kolébací nože, kostkovačky, řezačka a kutry. Kolébací nože - při ručním krájení; na bukovém otáčejícím se špalku se kolébá sada polokruhovitých nožů; kolébky při domácích zabijačkách 47
Kostkovačky používají se na řezání masa a špeku – systém nožů uspořádaných ve 3 rovinách, vodorovné a svislé nože jsou rovné, otáčející se nože srpovité. Řezačky - maso je podáváno šnekem do řezací části, kterou tvoří krátký podávací šnek a systém děrovaných desek a otáčejících se nožů (většinou se točí na jedné hřídeli se šnekem).
Obr. 14.6 Řezačka http://www.masoprofit.cz Obr. 14.7 Složení řezačky (http://www.lumbeck-wolter.de/products.html) Typy řezaček: - úhlová řezačka: podávací zařízení tvoří 2 šneky, které se otáčejí na dvou hřídelích navzájem kolmých; větší šnek maso podrtí a natlačí k řezací části, kde ho menší šnek tlačí do desek - přímočará řezačka - krátkořezný systém: řezací nože se otáčejí nezávisle na rychlosti otáčení podávacího šneku, prameny masa jsou odřezávány v kratších intervalech - separační řezačka - má zařazen rýhovací nůž, který odvádí tuhé částice ke středu otáčení nebo na periferii; částice nemohou projít malými otvory v poslední desce složení a sklouzávají rýhami nože. Kutry
Obrázek 14.8 Kutr (http://www.handspol.pl) Obrázek 14.9 Kutr, nože kutru (http://www.fimex.cz) Konstrukce: otočná mísa, v níž se otáčejí na hřídeli nože, které řežou i míchají. Tvar nožů je srpovitý, rovný, zalomený, nože jsou uspořádány různě a musí být dokonale vyváženy. Otáčky hřídele nožů i otáčky mísy lze měnit podle účelu (mělnění-míchání), u některých lze obrátit směr otáčení hřídele nožů a míchat tupou stranou nožů. Vše se řídí z řídícího panelu nebo mikropočítačem. Při řezání se uvolňuje teplo, mohlo by docházet k 48
místnímu přehřátí mělněné hmoty, rozmazávání tukových částic, částečné denaturaci bílkovin a v důsledku toho snížení vaznosti. Proto se dílo chladí: - přídavkem šupinkového ledu vyrobeného z pitné vody - použitím podlazeného nebo mraženého masa - evakuací kutru - použitím kapalného dusíku, který se vstřikuje do prostoru nožů. Doplňky kutru tvoří: - víko mísy z nerezu nebo plexiskla, které zabrání vypadávání obsahu a umožňuje evakuaci prostoru nebo naplnění inertním plynem (N, CO2) - hydraulický překlapěč vozíků, který slouží k plnění suroviny do mísy - vyprazdňovací talíř, který se na konci kutrování zasune do mísy a odvádí dílo ven z kutru do vozíku. - elektromagnetická rychlobrzda, která umožňuje okamžité zastavení nože. Kromě základního kutru se používá: Varný kutr, který současně mělní a ohřívá, ohřev zajištěn duplikátorovou mísou, do jejíhož pláště se vhání pára, lze sem zavést i chladící medium Vakuový kutr, který míchá a mělní bez přístupu kyslíku. Dalším mělnícím zařízením jsou: Průběžné kutry, které mají větší mělnící a malá míchací schopnost Koloidní mlýnek, ve kterém je předem nařezaná surovina spolu s vodou a přísadami vtažena mezi kuželový stator a rotor, které jsou opatřené rýhami. Velké tření, malá mezera, vysoké obrátky, silný ohřev, nutné chlazení Micro-cut, ve kterém je maso dopraveno šnekem do řezacího prostoru a rozmělněno nabroušenými hranami řezací hlavy Mělnič, což je vysokoobrátková řezačka, má dvě řezací desky s otvory, před deskami rotují trojramené nože. Stroje na mělnění zmraženého masa: gilotina, která plátkuje maso otáčející se dutý válec, z něhož ven vystupují nože, ostří rovnoběžné s osou válce, při otáčení se ustrouhávají vločky masa a padají dovnitř.
14.3.4 Narážení a tvarování Hotové dílo se plní do vhodných technologických obalů, které dodávají hotovým výrobkům konečný tvar a velikost Zařízení: Narážky pístové, šnekové, s lamelovým čerpadlem, se zubovým čerpadlem, podle způsobu, jakým je dílo vtlačováno do obalu. Kontinuální narážky jsou většinou vakuové.
Obrázek 14.10 Narážka (http://www.masoprofit.cz) 49
14.3.5
Uzavírání a oddělování
Uzavíraní a oddělování masných výrobků se provádí Přimáčknutím Přetáčením Přetáčecí zařízení je spojené s narážkou Přetáčení zajišťuje dopravník, který střevo přidržuje, zatímco rotací narážecí trubice dojde k přetočení. Další součástí je zahnutá vodící trubice, která se otáčí a navěšuje procházející pramen párků na pohybující se háčky. Jiný typ má místo vodící trubice otáčející se šroubovici, po které se navěšené smyčky párků posouvají. Vázáním, špejlováním, sponováním na klipsovačkách (hliníkové U spony).
14.3.6 Uzení Zajištění údržnosti a dosažení požadovaných smyslových vlastností výrobků způsobí tepelný zákrok, osušení povrchu a konzervační látky z kouře. Pro výrobu kouře se používá tvrdé dřevo, nejčastěji bukové, dřevo se obvykle zpracovává ve formě pilin nebo drtin v různě konstruovaných vyvíječích, oddělených od vlastní udící komory. Výrobky jsou zavěšeny na hůlkách průřezu O nebo T v udírenských vozících nebo klecích. Podle druhu výrobku se k uzení používá buď horký kouř, teplý kouř nebo studený kouř Zařízení: vyvíječ kouře a udírna. Vyvíječe Doutnavý vyvíječ na piliny či drtiny tvoří roura opatřená rýhami napříč k ose a naplněná pilinami. Piliny se u horního otvoru zapálí. Podávací zařízení je řešeno jako talíř, na něm jsou piliny rozdělovány rovnoměrně otočným ramenem do zóny doutnání. Zapálení pilin elektricky, popel a zuhelnatělé piliny padají do popelníku. Přes doutnající zónu se nasává vzduch pod tlakem vytvořeným ventilátorem komory. Kouř proniká rýhami do komory. Třecí vyvíječ, kde se otáčející se špalek tře o drsnou plochu nebo ozubené kolo tře o dřevo Parní vyvíječ, ve kterém je přehřátá pára vedena k pilinám v reakční zóně Fluidní způsob, kdy se ohřátý vzduch se vhání do vyvíječe, dochází ke fluidizaci pilin a jejich pyrolýze. Udírny Vlastní prostor – udící komora - bývá oddělena od vyvíječe kouře. Udící medium upravováno ve výměníku tepla na určitou teplotu a vlhkost. Jsou vybaveny zařízením na udržování parametrů, registraci. Mají systém zhášení v případě vzplanutí a sprchu na chlazení hotových výrobků. Typy udíren Komorové - jsou univerzální pro celý sortiment, rozvod směsi je dýmovody opatřenými řadou trysek, v rozváděcím potrubí jsou klapky k regulaci, odtah udícího media je u stropu, sběrače procházejí po celé délce udírny. Tunelové určené pro kontinuální výrobu, vlastní tunel je rozdělen do sekcí s odlišnou teplotou a vlhkostí dýmovzdušné směsi. Chlazení vyuzených výrobků se provádí sprchováním (mlžením) studenou pitnou vodou nebo proudícím vlhkým vzduchem.
50
14.3.7 Tepelné opracování Masné výrobky se tepelně opracovávají buď během uzení nebo při ováření ve vodě nebo páře, případně pečením v horkém vzduchu. Po záhřevu je nutné výrobky řádně vychladit Pro dosažení údržnosti masných výrobků se požaduje takový záhřev, kdy je dosaženo minimálně pasteračního účinku, který je ekvivalentní působení teploty 70 OC ve středu výrobku po dobu nejméně 10 minut.
14.3.8 Sušení Sušení se využívá při výrobě trvanlivých masných výrobků, tepelně opracovaných i fermentovaných; sušení následuje po zauzení Zařízení: klimakomory s počítačem řízeným odvodem vody a údaji o ztrátě hmotnosti.
15 POTRAVINÁŘSKÁ TECHNIKA NA PORÁŽENÍ A ZPRACOVÁNÍ DRŮBEŽE Linku, na níž je drůbež zavěšena, tvoří nekonečné závěsné dopravníky se speciálními závěsy pro zavěšení za běháky a v pozdější fázi za patní klouby. Linka je členěna do samostatných nekřížících se okruhů. Na drůbežích jatkách jsou 4 typy okruhů: porážecí, kuchací, chladící a distribuční a balicí.
Obr. 15.1 Poražení drůbeže (http://kulturistika.ronnie.cz/c-12130-kureci-maso-ii-porazka-azpracovani.html)
15.1 PORÁŽECÍ OKRUH 15.1.1 Přísun a navěšování drůbeže Přepravky s drůbeží jsou z aut přemístěny vysokozdvižnými vozíky k destohovacímu zařízení - přepravky jsou řazeny vedle sebe a dopravníkem (pásovým, válečkovým) přesunuty k místu navěšování drůbeže pracovníky; v případě kontejnerů se používají kontejnery s vysouvatelnými patry, které se kolejovým nebo vysokozdvižným systémem vyskládají a pomocí pístu s jemným posunem je drůbež vyskladněna na krytý pásový dopravník procházející uklidňovacím tunelem. Vyskladňování drůbeže se provádí ručně nebo 51
mechanizovaně - dopravníky; jsou vyvinuty i kombajny na principu textilních či plastových vertikálně či horizontálně se otáčejících štětin nebo bubnů s pásovými dopravníky s jemnými přepážkami nebo prsty k jemnému posunu. Zavěšování drůbeže je ruční. Prázdné přepravky a kontejnery jdou k automatické myčce (3 sekce:oplachovací, mycí a desinfekční).
15.1.2 Omračování Způsoby omráčení jsou následující: ruční elektrické, kdy se používají - omračovací kleště pro linky s malým výkonem a při omračování pštrosů - automatické kontinuální omračování pro linky s velkým výkonem (fixace hlavy, ponoření hlavy do vody ve vodní lázni, kam je přiváděn střídavý proud).
Obr. 15.2 Omračování (http://kulturistika.ronnie.cz/php/i_img.php?gal=12130_24)
plyny – používá se CO2 (zavěšená drůbež či drůbež v klecích na pásu).
15.1.3 Vykrvování Drůbež se vykrvuje po zaříznutí ručně nebo automatickým zařezávačem po navedení hlavy vodicími lištami k vodorovně se točícímu diskovému noži; vykrvení probíhá nad vykrvovacím žlabem nebo v boxu.
Obr. 15.3 Vykrvení (http://kulturistika.ronnie.cz/php/i_img.php?gal=12130_25)
52
15.1.4 Paření Paření probíhá v pařících vanách, kde horká voda intenzívně proudí podél osy těla navěšených kuřat a proti směru růstu peří. Pařící vany mají automatickou regulaci teploty, trvalý protiproudový přítok vody. Délka a teplota paření jsou v nepřímém poměru (hrabavá drůbež: 52-64 8 oC 60-150 s, vodní drůbež: 58-65 oC 90-180 s). Další možností jsou sprchovací zařízení se současným škubáním (horká voda nad 60 oC).
15.1.5 Škubání Škubání probíhá v návaznosti na napaření ve škubačích. Sklon a vzdálenosti jednotlivých sekcí škubání se pro každý druh nastavuje do optimální polohy, kopírující tvar těla k dosažení max. účinku a min. poškození těla a kůže Typy škubačů: - válcové, kdy se dva válce opatřené pryžovými prsty (délka 70 mm) otáčejí se proti sobě - diskové, v nichž jsou pružné pryžové prsty umístěné na discích
Obr. 15.4 Škubací stroj (http://kulturistika.ronnie.cz/php/i_img.php?gal=12130_23) Obr. 15.5 Škubače (http://www.driml-napajecky.cz)
15.1.6 Dočišťování a voskování K dočištění po oškubání peří peří se používají šlehače – jsou to válce opatřené biči (dlouhé pryžové prsty - 300 mm), dočištění probíhá za stálého přívodu teplé vody. U vodní drůbeže se provádí také voskování ponořením nebo sprchováním roztaveným voskem; následuje ochlazení hmoty v průběžné vaně s cirkulující vodou a snímání voskového pokryvu v průběžném škubači. Sejmutý vosk se po roztavené regeneruje.
15.2
KUCHACÍ OKRUH
Na kuchacím okruju dojde k vynětí obsahu tělní dutiny následujícím postupem: nařezání kůže krku pod hlavou a podél krku na dorsální straně a uvolnění, odtrhnutí hlavy a vytrhnutí volete, jícnu a průdušnice z dutiny hrudní, odřezání běháků kotoučovými noži v patním kloubu převěšování na kuchací okruh za patní klouby automatickým převěšovacím zařízením nebo ručně nařezání stěny břišní a obřezání kloaky kruhovým kloakovacím nožem nebo pistolí
53
uvolnění trávícího traktu spolu s plícemi pomocí kuchacího automatu – lištou, která vnikne do dutiny břišní a hrudní a vyjme vnitřnosti, přenese je na paralelní karuselový dopravník, z něj jsou předány na miskový nebo závěsný dopravník veterinární prohlídka těla a vnitřností oddělení srdce a jater, svalnatého žaludku a střev, vyjmutí neodstraněných plic (např. pneumaticky odsátím), odstranění krku v úrovni ramenních kloubů kontrola kuchání a dočištění a osprchování vnitřního a vnějšího povrchu studenou vodou, praní a chlazení drobů.
15.3 CHLADICÍ OKRUH Jatečně opracovaná těla drůbeže se chladí okamžitě a nejpozději do 12 hod musejí být zchlazena a udržováno při teplotě pod 4 oC Způsoby chlazení: Vzduchové při teplotě 0 oC, rychlosti proudění vzduchu 2-3 m/s, RV 85 %) v komorách nebo tunelech, kde jsou těla zavěšena na kontinuální závěsný transportér, nad transportérem jsou umístěny výměníky tepla, kam je přiváděno chladící medium a odtud je chladící vzduch hnán do chladicího prostoru. Sprejové, při kterém je drůbež ve visu postřikována ledovou vodní mlhou za současného chlazení proudícím ledovým vzduchem Ve vodní lázni, kdy drůbeží těla procházejí jednou nebo více nádržemi s chladnou nebo ledovou vodou (teplota vody v místě vstupu drůbeže max. 16 oC , na výstupu max. 4 oC) Po chlazení je drůbež zavěšena za křídlo nebo patní kloub na odkapávací linku.
15.4
DISTRIBUČNÍ A BALICÍ OKRUH
Drůbež do expedice jde v čerstvém stavu jako chlazená (skladování zchlazeného masa je při teplotách pod 4 oC, drobů pod 3 oC. RV je 85-95%, proudění vzduchu 0,1-0,3 m/s); k další finalizaci pak k porcování, na výrobu polotovarů, do masné výroby či k zmrazování. Třídění, vážení a balení probíhá v místnosti s teplotou max. 12 oC. Třídí se dle jakosti a hmotnosti. Hodnocení je subjektivní nebo třídícími kamerovými systémy. Vážení probíhá pomocí automatického vážícího systému, který je součástí linky. Balení je strojní nebo ruční do obalů z plastických hmot. Díly porcované drůbeže jsou umístěna na předem formované podložní misky překryté shora pevnou nebo průtažnou folií; lze balit i v ochranné atmosféře. Označení zahrnuje druh, u děleného část těla, datum použitelnosti či minimální. trvanlivost, podmínky skladování, jakost.
15.5 ZMRAZOVÁNÍ Zmrazování drůbežích těl či porcovaných částí probíhá v mrazících tunelech vzduchem o teplotě -35-40 oC s cirkulací vzduchu 5 m/s aRV 95 %. Nejvhodnější je průběžné zmrazování s automatickým balením a označováním. Dalšími možnostmi je zmrazení v deskových zmrazovačích, v imerzních kapalinách (NaCl, CaCl2, glycerol, etylenglykol) nebo v plynech (tekutý dusík). Vnitřní teplota mražené drůbeže je -12 oC. Skladuje se v mrazírenských skladech při teplotě -12 oC 9 měsíců, při -18 oC 12 měsíců.
54
15.6 VÝROBA POLOTOVARŮ A VÝROBKŮ S DRŮBEŽÍM MASEM Výroba polotovaru a výrobků s drůbežím masem usnadňuje kuchyňské úpravy a obohacuje sortiment. Patří sem například panýrování – obalování do panád na bázi mouky, strouhanky, vajec, glazury, škrob. Tepelně se výrobky pak opracují kondukcí, kdy dojde ke kontaktu produktu s olejovou lázní, konvekcí v plynovém nebo elektrickém zařízení, zářením či mikrovlnným ohřevem. dalším způsobem je marinování, kdy se použije marináda v suchém stavu nebo v roztoku (sůl, fosfát, koření, sojová bílkovina) ponořením, injektáží nebo aplikace v bubnech za vakua. Drůbeží maso, droby, krev, tuk a další jsou také zpracovávány do polokonzerv a konzerv.
15.7. VÝROBA A POUŽITÍ STROJNĚ ODDĚLENÉHO MASA Zužitkováni vedlejších produktů je ve formě strojně odděleného masa použitého do párků, hamburgerů a paštik. K separaci se používá kontinuální tlakový šnekový separátor, ve kterém je směs masa a kostí pod vzrůstajícím tlakem stlačena a přesunuta šnekem umístěným v cylindrickém pouzdře ke konci stroje, kde jsou měkké části protlačeny přes síto. Zbytek kostí je vytlačen přes zarážku a prstencové otvory. V diskontinuálním pístovém separátoru je surovina vložena plnícím otvorem do tlakového válce stroje a hydraulicky poháněným pístem tlačena pod vysokým tlakem přes systém filtrů - měkké části procházejí, kostní drť se odstraní.
16 POTRAVINÁŘSKÁ TECHNIKA NA ZPRACOVÁNÍ VAJEC 16.1 SKOŘÁPKOVÁ VEJCE KONZUMNÍ 16.1.1 Třídění a balení vajec Při třídění vajec dojde nejprve k vyskladnění ručně nebo pneumatickými překladači na pás, následuje vizuální kontrola a vyřazení vajec s vnějšími vadami. Prosvěcování probíhá v zatemněné komoře pod cívkovým dopravníkem, který nese a otáčí vejce, jsou zespodu umístěny světelné zdroje a zrcadla. Vyřazení vajec s vnitřními vadami je ruční nebo elektronické (fotosenzorem). Hmotnostní třídění je pomocí váh na pásu, třídička vybavena razítkovacími hlavami, které vejce označí. Vejce se balí do balů z lisované tvrzené papírové hmoty, plastů, polystyrenu.
Obr. 16.1 Hmotnostní třídění vajec (http://www.mavela.cz/provozovny/chov-slepic-dynin/)
55
16.1.2 Skladování vajec Vejce se skladují v čistých, větraných skladech s nekolísavou teplotou 5-18oC a RV 70-75 %.
16.1.3 Chlazení vajec Chlazení vajec probíhá v chladírnách, teplota -0,5 až -1,5 oC nesmí kolísat, relativní vlhkost je stanovena v takových hodnotách aby se omezily hmotnostní ztráty způsobené odparem vody a aby nedošlo k rozvoji plísní. K potlačení plísní se provádí ozonizace chladíren.
16.1.4 Konzervace vajec Ke starším, hlavně domácím způsobům patří konzervace ve vápenném roztoku (Ca (OH)2) a nakládání do „vodního skla“ (roztok kyseliny křemičité a jejich solí). Dále jsou to: Olejování - zakrytí pórů olejovým filmem, který zabrání vypařování vody a úniku CO2. Používají se stabilní vysoce rafinované minerální oleje). Olejování se provádí za tepla či za studena ponořením nebo postřikem. Termostabilizace záhřevem v horké vodní lázni (55 oC a více, doba několik minut), kdy dojde ke koagulování tenké vrstvy bílku pod skořápkou a tím ucpání póru skořápky zevnitř Povlékání Skladování v atmosféře CO2.
16.1.5 Čištění vajec Vejce je možné také čistit, a to za sucha pomocí kartáčů, abrazivních prášků a brusných materiálů nebo mytím či sprchováním roztoky s detergenty a desinfekční prostředky.
16.2
VÝROBA VAJEČNÝCH HMOT
16.2.1 Výtluk Výroba začíná výtlukem a odstraněním skořápky, čímž se získá bílek, žloutek či vaječná melanž (směs). Výtluk se provede ručně speciálními noži umístěnými nad vytloukací nádobou, oddělení žloutku a bílku pomocí zařízení připevněného na vytloukacím noži, které se skládá z misky a překlopného prstence; po rozbití se žloutek zachytí na misce, bílek stéká do sběrné nádoby, zbytky bílku se odříznou ostrou hranou prstence. Pokud se zpracovává velké množství vajec, výtluk se provádí strojově vytloukacím zařízením následujícm způsobem: - vejce je uchopeno mezi čelisti vytloukací hlavy - segmenty vytloukací hlavy pracují jak je popsáno u ručního výtluku - misky s obsahem se pohybují na kruhovém nebo horizontálním dopravníku a překlápějí se do sběrných žlabů - skořápky se plynule odstraňují - kontrola obsahu každé misky se provádí vizuálně nebo fotosenzorem a vadné obsahy vajec se vyřadí. 56
Obr. 16.2 Vytloukání vajec (http://www.wotol.com/1-sanovo-sbs-3000-sbs-3001-eggbreaking-and-separa/second-hand-machinery/prod_id/469471)
16.2.2. Filtrace Filtrací vaječných hmot se odstraní úlomky skořápky, podskořápkové blány a chalázy Filtraci lze nahradit odstřeďováním obsahu.
16.2.3 Homogenizace Filtrovaná vaječná hmota se homogenizuje. Učinným zařízením jsou koloidní mlýny.
16.2.4 Chlazení Pokud hned nenavazuje další zpracování vaječných hmot, musí se vaječné hmoty zchladit. Při teplotách 4 oC je lze skladovat maximálně 48 hod
16.2.5 Pasterace Bezpečnost vaječných hmot zajistí pasterace, která probíhá jako: Stacionární v duplikátorovém kotli nebo zahříváním v plechovkách ve vodní lázni. Bílek se pasteruje při teplotě 56 oC 30 min, melanž při teplotě 65 oC 30 min a žloutek při teplotě 68 oC 30 min Průtoková v deskovém nebo trubkovém pastéru. Bílek se pasteruje při teplotě 57 oC 180 s, melanž při teplotě 64,5 °C 150 s a žloutek při teplotě 65 oC 180 s. Lze použit i alternativní kombinaci času a teploty zajišťující stejný účinek. Pasterované vaječné hmoty se dodávají na trh kapalné - balí se do konví, kbelíku, kartonů, cisteren a skladují při teplotě 4 °C nebo se zmrazují či suší. Alternativní způsoby ošetření:
Pasterace v pulsním poli při působení elektrických pulsů na bakterie Vysokofrekvenční ohřev a nízkofrekvenční ohřev Vysoký hydrostatický tlak, při kterém dochází k destrukci mikroorganismů bez ohřevu Ozařování Ohřev sušených vaječných hmot (hot room) Pasterace skořápkových vajec ponořením vajec do vodní lázně 57 oC, 45-50 min.
57
16.2.6 Zmrazování Zmrazování pasterovaných vaječných hmot se provádí v obalech ve zmrazovacích tunelech proudem podchlazeného vzduchu o teplotě -40 oC a rychlosti proudění 2,5 m/s. Skladování a přeprava zmražené vaječné hmoty při -18 °C.
16.2.7 Zahuštění, sušení Vaječné hmoty se zahušťují, zahuštěné hmoty jsou samostatným výrobkem nebo meziproduktem sušení. Sušení předchází zcukřování, vlastní zahušťování zlepšuje teplotní účinnost sušení a zvyšuje kapacitu sušárny. Zahuštění se provádí na rotačních vakuových odparkách, ultrafiltrací (UF) nebo reverzní osmózou (RO) nebo a za přídavku aditiv (cukr, sůl, antioxidanty, stabilizátory, emulgátory). Sušícím zařízením jsou: Komorové sušárny, ve kterých se suší bílek – rozlije se v tenké vrstvě na tácy a suší se proudem vzduchu 45-47 oC. Po odpaření 75-80 % vody se teplota sníží na 30-35 oC. Tunelové sušárny protiproudé nebo souproudé sušení Rozprašovací sušárny, ve kterých dojde k rozptýlení hmoty na drobné kapky a jejich smísení se zahřátým vzduchem. Rozprašovacím zařízením jsou tlakové trysky nebo diskové rozprašovače. Sušící vzduch je filtrovaný, ohřev vzduchu je nepřímý v ohřívačích nebo přímo hořícími plyny; teplota sušícího vzduchu je volena podle materiálu a požadované sušiny výrobku (bílek 110-165 oC, žloutek až 165 oC, melanž 185 oC).
16.2.8 Balení Balení se provádí do plastových pytlů vložených do kartonů, vrstvených pytlů a plechovek; také balení v modifikované atmosféře.
17
POTRAVINÁŘSKÁ TECHNIKA V MLÉKÁRNÁCH
17.1
TRANSPORT SYROVÉHO MLÉKA
Mléko se transportuje automobilovými cisternami, což jsou uzavřené nerezové nádrže tvaru zploštělého ležatého válce, o objemu 2000-24000 l mléka. Přepážkami jsou rozděleny do několika oddílů nebo jsou jednokomorové. Jsou vybaveny průtokoměry, případně i autosamplery – zařízením na automatický odběr vzorků odkapem.
17.2
PŘÍJEM MLÉKA
Přejímání mléka z cisteren jednotlivých svozných linek se provádí po kontrole mléka v příjmové části mlékárny. Každé příjmové místo je vybaveno vakuovým čerpadlem. Množství přijatého mléka se zjišťuje měřícími objemovými čerpadly, magnetickoindukčními průtokoměry nebo podle hmotnosti – vážením na mostních vahách. Přijaté syrové mléko je do dalšího zpracování uchováno v zásobních (úchovných) tancích. Teplota mléka nesmí přesáhnout 6 oC. 58
17.3
ZÁKLADNÍ MLÉKÁRENSKÉ OŠETŘENÍ MLÉKA
Mléko podléhá základnímu mlékárenskému ošetření: tepelné ošetření, odstředění, vychlazení, dle účelu také standardizace a homogenizace.
17.3.1 Tepelné ošetření mléka Účelem tepelného ošetření je zničení patogenních a technologicky nežádoucích mikroorganismů, zajištění zdravotní nezávadnosti a prodloužení údržnosti mléka.
Způsoby tepelného ošetření jsou následující:
- Pasterace, kdy se mléko se zahřívá na teplotu do 100 oC. Pasterované mléko musí být ošetřeno záhřevem min. na 72 oC po dobu 15 sekund, případně na teplotu 63 oC po dobu 30 minut, nebo jinou kombinací časů a teplot zaručující rovnocenný účinek. Použitelnost zchlazeného pasterovaného mléka je při skladování do 6 oC několik dnů. - ESL (extended shelf life) se získá záhřevem na 120-135 °C po dobu několika sekund, použitelnost mléka je 3 týdny. - UHT (ultra heat temperature) je ošetření za vysoké teploty po krátkou dobu, nejméně 135 oC v kombinaci s přiměřenou dobou zdržení (několik sekund), aby v ošetřeném výrobku nebyly žádné živé mikroorganismy ani spory schopné růstu v prostředí aseptické uzavřené nádoby při pokojové teplotě. Trvanlivost mléka je při teplotě do 24 oC několik měsíců. - Sterilace je proces, při kterém se mléko zahřívá na teploty vyšší jak 100 oC (116-120 °C) a trvanlivost mléka je při teplotě do 24 oC několik měsíců.
Pasterační zařízení, výměníky tepla
Pasteračním zařízením je kotlový pastér (farmy, minimlékárny), trubkový a deskový pastér (výměník tepla). Kotlový (hrncový) pastér je duplikátorová nádoba vybavená míchadlem teplotními čidly je mléko je zahříváno horkou vodou z mezistěny nádoby. Lze v ní mléko i chladit a dále zpracovávat na sýry či kysané mléčné výrobky.
Obr. 17.1 Kotlový pastér (http://www.ifauna.cz/ovce-kozy/forum/r/detail/75495/syrarny-a-minisyrarny) 59
Trubkový pastér se skládá z trubek do sebe koncentricky zasunutých nebo je tvořen soustavou trubek, kolem nichž je ohřívací medium. Mléko protéká laminárně v tenké vrstvě v mezistěně a je zahříváno mediem (horká voda, pára) ze dvou stran.
Obr. 17.2 Trubkový pastér http://www.machinepoint.com/foodtechnologies/machinery.nsf/beverage_technology/uht_en. html Deskový pastér (deskový výměník tepla) Deskový pastér - deskový výměník tepla - je nejpoužívanějším zařízení na tepelné ošetření mléka v mlékárnách. Je využíván k ohřevu i chlazení mléka vzájemnou výměnou tepla – regenerací. Základním prvkem pastéru jsou pracovní desky z nerezového ocelového plechu spojené navzájem. Jejich teplosměnná plocha je optimálně tvarovaná, má vylisovány různě uspořádané výstupky, které vytvářejí úzké lomené žlábky. Tím se dosáhne turbulentního proudění, rychlejší výměny tepla a dokonalého prohřátí celé vrstvy mléka. Deskový pastér je konstruován jako rozebíratelný, jehož desky jsou opatřeny pryžovým těsněním po obvodu, těsnění musí snášet teploty i nad 100 oC a nesmí předávat mléku cizí chuť a vůni, provozní teplota je max. 125 °C a přetlak 0,3-1,1 MPa nebo svařovaný (desky spojeny svárem), kdy materiálem je ušlechtilá ocel (Cr-Ni-Mo), provozní teplota až 250 °Ca provozní přetlak 1-4 MPa. Desky jsou zavěšeny na vodících tyčích a přitlačeny k sobě silnými čely. Jsou těsně spojeny sešroubováním nebo svařeny do sekcí. Jednotlivé funkční části pastéru (sekce) jsou od sebe odděleny mezistěnami, které jsou opatřené armaturami pro vstup a výstup kapalin. Počet desek je 12-200. Surovina je ohřívána (chlazena) mezi deskami, tedy nepřímo přes kovovou stěnu. Ve vytvořených prostorách mezi deskami prochází po jedné straně zahřívaná kapalina a po druhé straně ohřívací kapalina. Ohřívacím mediem v pastéru je horká voda, v regeneračních sekcích mléko již zpasterované, s vyšší teplotou, než na straně druhé. Chladícím mediem je ledová voda, v regeneračních sekcích vychlazené syrové mléko.
60
Obr. 17.3 Pasterační deska (http://local.alfalaval.com/cs-cz/produkty/prenostepla/deskove/pages/deskove-vymeniky.aspx) Obr. 17.4 Deskový pastér (http://www.vps-hk.cz/cz/milch.html)
Obr. 17.5 Deskový pastér a průtok tekutin mezi deskami pastéru (Bylund, 1995)
Obr. 17.6 Schéma průtoku tekutin deskovým pastérem
61
Sekce pastéru Deskový pastér má obvykle 5 sekcí: I. regenerace – předehřátí mléka (odstřeďovací teplota) II. regenerace – předehřátí mléka před pasterací (homogenizační teplota) pasterační sekce – termosektor (vlastní pasterace), výdržník I. a II. chladící sekce – chlazení ledovou vodou Povinné vybavení pastéru - automatický regulátor teploty - automatické bezpečnostní zařízení, které brání nedostatečnému záhřevu (teplotní čidlo a vratný ventil) - vhodný bezpečnostní systém, který brání smíchání tepelně ošetřeného mléka s mlékem nedostatečně zahřátým (rozdíl tlakových poměrů na stranách pasteračních desek – vyšší tlak na straně pasterovaného mléka, nebo použití systému zdvojených pasteračních desek) - automatické registrační zařízení uvedeného bezpečnostního systému nebo postupu pro sledování účinnosti systému. Pastér s odstředivkou, čerpadly, homogenizátorem, horkovodním okruhem tvoří PASTERAČNÍ STANICI. Nedílnou součástí pasterační stanice je potrubí. Je spojováno pneumatickými ventily, které jsou ovládány automaticky.
17.3.2 Odstřeďování Při odstřeďování mléka se získá odstředěné mléko a smetana. Odsmetaňování bývá spojeno se současným čištěním mléka. Odstřeďování mléka se provádí na odstředivkách (separátorech). Základním fyzikálním principem je rozdíl měrné hmotnosti součástí mléka. Hnací silou jsou odstředivé síly. Výkon odstředivek je od 50 do 25 000 l.h-1. Těžší složka mléka – odstředěné mléko – se soustřeďuje blízko stěny bubnu odstředivky a lehčí složka – smetana – je vytlačována směrem do středu k ose otáčení. Těžké částice (mikroorganismy, buněčné částice) jsou vyneseny odstředivou silou až na stěnu bubnu, kde se soustřeďují jako kal. Vhodná teplota mléka pro separaci složek mléka je 40-50 °C . Odstřeďování je proto obvykle zařazeno za 1. regenerační sekci pastéru, kde se mléko na tuto teplotu předehřeje, používají se však i teploty 55-65 °C nebo 4-10 °C.
Obr. 17.7 Odstředivka http://local.alfalaval.com/cs-cz/produkty/separace/Pages/separace.aspx Obr. 17.8 Odstředivka v mlékárně - v pozadí pastér (foto M. Králová, 2013)
62
Odstředivka, průběh odstřeďování
Hlavní části odstředivky Odstředivku tvoří: - přítokové zařízení - buben, který se skládá z rozdělovacího talíře (rozvaděče mléka), soustavy talířů s otvory a se sklonem stěn 45 - 55 ° a vrchního talíře bez otvorů - výtokové zařízení, které slouží k plynulému odtoku oddělených složek, se skládá ze sběrače smetany a sběrače odstředěného mléka - průtokoměr (na výtoku smetany) - tlakoměr a regulační šoupátko pro nastavení potřebného tlaku (na výtoku odstředěného mléka) - pohon 1. provozní vodní systém 2. dutý kulový čep 3. sedimentační cyklona 4. plášť 5. motor 6. brzda 7. převod
Obr. 17.9 Řez odstředivkou (Bylund, 1995, upraveno)
1. sběrače smetany a odstředěného mléka 2. horní část bubnu 3. separační kanálky 4. mezitalířový prostor 5. odkalovací štěrbina 6. talíř rozdělovače 7. posuvné dno 8. dolní část bubnu 9. dutá hřídel - přítok mléka smetana odstředěné mléko odstředivkový kal
Obr. 17.10 Schéma odstředivky a průběhu odstřeďování (Bylund, 1995; upraveno) Typy odstředivek Odstředivky jsou obecně konstruovány jako polohermetické a hermetické, podle plynulosti provozu diskontinuální a kontinuální a podle funkce: - čistící (používají se k odstraňování nečistot z mléka) 63
-
odsmetaňovací (slouží v lince pro základní ošetření mléka k jeho dělení na smetanu a odstředěné mléko při současném čištění mléka) samoodkalovací (nejčastěji v mlékárnách využívané) baktofugační (k odstraňování mikroorganismů z mléka) tvarohářské (k oddělování tvarohu od syrovátky).
Diskontinuální odstředivka Plní funkci čistící i odsmetaňovací, ale diskontinuita provozu a ruční vyjímání kalu narušuje plynulost provozu. Odstřeďování se provádí při teplotě kolem 40 °C, při 6 000 až 8 000 ot.min-1. Kontinuální - samoodkalovací odstředivka Je běžně v mlékárnách využívaná. Buben odstředivky je dvoudílný, dolní část je držena tlakem vody v základní pozici. Poklesem dolní části bubnu se za provozu vytváří na dobu méně než 0,5 sekundy obvodová odkalovací štěrbina, kterou je kal „vystřelen“ za tlumeného zvuku do vnějšího sběrače. Kal má tekutou konzistenci. Hermetické provedení tohoto typu odstředivky umožňuje vysokou ostrost oddělení smetany a odstředěného mléka. Odstředivka je zařazena do systému cirkulačního čištění. Mléko je dopravováno přívodním čerpadlem do dutého hřídele a odtud do otvorů rozvaděče. Vlivem odstředivé síly proniká do separačních kanálků a dále do mezer mezi talíři (0,3-0,5 mm). Tukové kuličky se v nich oddělují a postupují do středu bubnu na vnější plochu talířů a otvorem ve vrchním talíři do sběrače smetany. Mléčná plazma a nečistoty se pohybují opačným směrem, jsou vrhány do kalového prostoru bubnu. Nečistoty se v něm usazují a odstředěné mléko protéká z kalového prostoru nad vrchním talířem do sběrače mléka. Kaly se hromadí v kalovém prostoru. Současné odstředivky bývají doplněny automatickou standardizací tuku, kde se směšuje odstředěné mléko se smetanou v požadovaném poměr Baktofuga Baktofugace je proces odstraňování bakterií z mléka pomocí odstředivé síly, Talíře v bubnu zařízení jsou bez otvorů. Mikrobiologické čištění a rychlost dělení jsou ovlivněny rozdílnou měrnou hmotností, velikostí a tvarem bakterií. Účinnost baktofugace dosahuje 90-95 %, pro sporotvorné bakterie a jejich spory 95-99 %. Odstředivky různých konstrukcí se dále využívají při odsmetanění syrovátky, výrobě tvarohu, termizovaných sýrů, bezvodého mléčného tuku, kaseinů a koprecipitátů.
17.3.3 Homogenizace Homogenizace mléka je mechanický proces, který se používá k roztříštění tukových kuliček na jemné disperzní částice. Tím je zabráněno vyvstávání smetany u mléčných výrobků. K homogenizaci se používají homogenizátory, zpravidla pístové s výkonem od 250 do více jak 30 000 l h-1.
Homogenizátor
Základním funkčním prvkem je homogenizační hlavice - upravená ventilová vysokotlaká komora. Mléko (smetana) se vhání výkonnými pumpami do hlavice homogenizátoru pod tlakem 15- 30 MPa. Vlivem vysokého tlaku se pootevře ventil homogenizační hlavy a vytvořenou úzkou štěrbinou velkou průtokovou rychlostí proudí mléko. Rychlá změna proudění a náhlý pokles tlaku způsobují rozbití tukových kuliček. Pro zvýšení 64
homogenizačního účinku se užívá dvoustupňových homogenizačních hlav. Účinek homogenizace je největší při 60-67 0C a proto se homogenizace zařazuje za druhou regeneraci. Při protlačování mléka (smetany) úzkou štěrbinou homogenizační hlavy je rychlost proudu mléka až 250 m.s-1. Vlivem velkých smykových sil se tukové kuličky protahují do tvaru vláken, jež se vzápětí přeměňují na řetízky a shluky drobných tukových kuliček. Za homogenizační hlavou se řetízky a shluky náhlým poklesem rychlosti (cca 20.s-1) a účinkem vířivého pohybu rozpadnou a rozptýlí v mléčném plazmatu (viskolizace, mikronizace).
mikronizační zóna
Obr. 17.11 Homogenizátor, hlava homogenizátoru (Bylund, 1995; upraveno)
17.3.4 Standardizace Standardizace - úprava tučnosti - se provádí se smísením smetany a odstředěného mléka odebíraných v odpovídajícím objemu z úchovných tanků. Při využití automatizovaného systému in-line standardizace je tučnost smetany nastavitelná protitlakem na odtahové větvi smetany u odstředivky a proud smetany je následně přidán do odstředěného mléka v požadovaném poměru.
17.3.5 Chlazení Ošetření mléka končí jeho ochlazením na teplotu max. 6 °C. Část tepelné energie odnímá pasterovanému mléku v regeneračních oddílech pastéru syrové chladné mléko přitékající k pasteraci po druhé straně desek. Dále se mléko ochlazuje v chladících sekcích deskového pastéru ledovou vodou.
17.4 VÝROBA KONZUMNÍHO MLÉKA A SMETANY PASTEROVANÉHO Konzumní mléko pasterované je vyráběno tepelným ošetřením za předepsaných teplotně časových parametrů, úpravou tučnosti mléka, homogenizací a balením. U konzumního mléka se obvykle používá tzv. vysoká pasterace (min. 85 oC). Smetana se pasteruje při teplotě minimálně 90 oC na samostatném pastéru nebo ve smetanové sekci pastéru na mléko. Důležitým technologickým krokem je odvětrávání smetany, které zbavuje smetanu cizích pachů a rozpuštěného a dispergovaného vzduchu. Princip odvětrání spočívá v odpaření části vody a s ní i podílu pachových látek přítomných ve smetaně. Var potřebný k odvětrání se dosahuje snížením tlaku.
65
Odvětrávací zařízení se skládá z odvětrávací komory, čerpadla smetany, zařízení k omezení podtlaku a z vývěvy. Smetana se v komoře rozstřikuje směrem vzhůru, naráží na zvlněnou vodorovnou desku a padá celým průřezem nádoby v tenkých praméncích a kapkách ke dnu, kde je plovákem udržována stálá hladina. Současně dochází při teplotě 95 oC a podtlaku 0,08 MPa k intenzivnímu uvolňování par a pachů, které jsou z prostoru pod víkem odsávány vodookružní vývěvou. Horká smetana se ze dna odvětrávací nádoby čerpá do pasterační (resp. regenerační) sekce pastéru.
1. kondenzace 2. přítok smetany 3. odtok smetany
Obr. 17.12 Odvětrávací zařízení (Bylund, 1995, upraveno) Mléko a smetana se balí převážně do kartonů, do plastových obalů a méně do skleněných obalů. Konzumní mléka a smetany se skladují v chladírnách mlékáren při teplotě 4-8 °C.
17.5. VÝROBA TRVANLIVÉHO MLÉKA A SMETANY Trvanlivé mléko je mléko ošetřené UHT nebo sterilované. Při záhřevu dochází k devitalizaci všech mikroorganismů, včetně spór a k inaktivaci enzymů. Je dosaženo obchodní sterility mléka a trvanlivost mléka je při pokojové teplotě několik měsíců.
17.5.1. UHT mléko a smetana UHT mléko (ultra high temperature, ultra high treatment) je získáno ošetřením krátkodobým záhřevem na teplotu nejméně 135 oC a baleno do aseptických neprůhledných obalů. Vyrábí se přímým či nepřímým ohřevem. Přímý ohřev se provádí dvojím způsobem - vstřikováním páry do mléka (uperizace) nebo vstřikováním mléka do páry (palarizace). Pára musí být vyráběna z pitné vody a nesmí zvýšit obsah vody ve výrobku. Předností tohoto systému je, že mléko nepřichází do kontaktu s horkým kovovým povrchem, nenapaluje se a nemá vařivou chuť. - Při uperizaci je mléko předehřáto na teplotu 70-80 oC a vysokotlakou pumpou čerpáno do injektoru (uperizátoru), kde se vstřiknutím páry (tlak 0,36 MPa) zahřeje na teplotu 135– 140 oC a po 3-4 s výdrže se dvoustupňově chladí - v expanzní vakuové nádrži, kde dochází k odloučení přidané pár (70 0C) a poté v aseptickém výměníku tepla (30-25 oC). Homogenizace se provádí až po výstupu s expanzní nádrže. - Při palarizaci záhřev probíhá v infusní komoře. V infusní komoře je umístěna tryska, která středem komory rozpráší předehřáté mléko do tenkých pramínků. Pára je přiváděna ze stran proti mléku, které je zahříváno šetrně a rychle na teplotu 140-145 °C/0,1s. Vzduch uvolněný z mléka je odváděn horní částí komory. Spodní část komory je chlazena 66
z mezistěny. Mléko přichází do výdržníku (3-4 s) a poté do odlučovače páry (expanderu), v němž se teplota sníží na 75-73 °C. Odtud je aseptickým čerpadlem převedeno do homogenizátoru a do výměníku, kde se ochladí na teplotu plnění (25-22 °C) a je čerpáno do zásobních tanků.
Obr. 17.13 Schéma: injektor a infusní komora (Bylund, 2005) Nepřímý ohřev K nepřímému UHT se využívají desková nebo trubková zařízení, konstrukčně podobná pasteračním zařízením. Dále se používají kombinované systémy nepřímého a přímého tepelného ošetření. Balení UHT mléka se provádí asepticky (sterilizace balícího a uzavíracího materiálu plnících komor, potrubí, tanků a vzduchu, který se používá k udržení přetlaku uvnitř plnící komory). Ke sterilizaci obalů v balícím systému se používají chemické sterilizační prostředky, nejčastěji H2O2.Trvanlivé mléko se plní do několikavrstevných obalů.
17.5.2 Sterilované mléko Sterilace je proces, při kterém je mléko ošetřeno nepřímým ohřevem v hermeticky uzavřených obalech na teplotu nejméně 100 °C, přičemž uzávěr musí zůstat neporušený. Sterilace probíhá jako diskontinuální či kontinuální. Mléko či smetana naplněné do obalu a uzavřené se steriluje v autoklávech při 110-120 °C po dobu 15-20 minut. Tento způsob ošetření se téměř nevyužívá.
17. 6 VÝROBA ZAHUŠTĚNÝCH MLÉČNÝCH VÝROBKŮ Podstatou výroby zahuštěných mléčných výrobků zahuštěním – kondenzací je odstranění potřebného množství vody tak, aby bylo dosaženo požadované sušiny. Podle průběhu zahušťování jsou odparky diskontinuální (např. kotlové) a odparky kontinuální – odparky s klesajícím filmem. Oba způsoby odpařování mohou být prováděny v jednostupňovém nebo vícestupňovém odpařovacím zařízení.
17.6.1 Vakuová odparka s padajícím filmem Nejčastěji využívané jsou trubkové odparky s padajícím filmem ve vícestupňovém provedení, s různými způsoby komprese brýdových par. Vytvořením tenkého filmu mléka na vnitřním povrchu dlouhých svislých trubek, vyhřívaných z druhé strany parou je dosahováno rychlého odparu vody z mléka varem za sníženého tlaku.
67
Odparku tvoří těleso odparky, kondenzátor a vakuové čerpadlo. Těleso odparky se skládá ze soustavy svislých trubek, jejichž vnitřní povrch tvoří odpařovací prostor. Trubky jsou obklopeny vnějším topným válcovým prostorem, kde je pára. Dole je topná část odparky připojena na odlučovač, připojený na kondenzátor. Použití vakua snižuje teplotu varu mléka, urychluje zahušťování a redukuje tepelnou zátěž mléka. Pára je přiváděna do horní části válce. Mléko přiváděné do odparky se rozdělí pomocí rozdělovací desky do jednotlivých trubek, vytvoří rovnoměrný film na vnitřní stěně trubek a padá gravitací dolů. Brýdové páry - odpařená voda z mléka - přecházejí do odlučovače, kde se zbavují částic mléka, poté přecházejí do kondenzátoru, kde se ochlazují. Část par je vedena do vstup termokompresoru, kde je stlačována a znovu mléka aaa vrácena do procesu (TVR odparky-Thermal horká pára Vapour Recompression) nebo se využívá mechanické komprese (MVR odparkyMechanical Vapour Recompression). Páry jsou brýdové páry znovu využity jako topné medium. Zahuštěné mléko se odtahuje z odlučovače čerpadlem a dopravuje k dalšímu zpracování. kondenzát
výstup kondenzátu mléka
Obr. 17.15 Vakuová odparka (http://www.stroje.poziadavka.sk) 1. vstup mléka 2. rozdělovací deska 3. pára k ohřevu 4. koaxiální trubky 5. otvory 6. brýdové páry 7. evaporační trubky 8. výstup kondenzovaného mléka
Obr. 17.14 Vakuová odparka s padajícím filmem (Bylund, 1995; upraveno)
Zahuštěné mléčné výrobky se dělí se na dvě základní skupiny: Zahuštěné mléčné výrobky slazené (konzervované cukrem) Zahuštěné mléko se zpasterovaným cukerným sirupem dohustí na požadovaný obsah sušiny a přečerpává se do chladičů. Chladiče jsou dvouplášťové nádoby válcového tvaru, opatřené míchadlem a chlazené z mezipláště ledovou vodou, vychlazuje se za míchání a stírání ze stěn na teplotu 20-22 oC - současně dochází ke 68
krystalizaci laktózy. Kondenzované slazené mléko se plní do plechovek. Obaly se před plněním sterilizují. Naplněné plechovky se uzavírají na uzavíračce, pak se etiketují a plní do kartonů. Výrobky se nesterilizují. Do tub se zahuštěné mléko plní na tubovacích automatech, a to do otevřeného dna tuby. Po naplnění se konec tuby na automatu několikrát přehne. - Zahuštěné mléčné výrobky neslazené (sterilované) Zahuštěné mléko s upravenou termostabilitou (stabilizační soli) a obsahem sušiny je plněno do plechovek. Sterilace v uzavřených obalech se provádí v autoklávech při teplotě kolem 115 o C 15 minut. Plechovky se etiketují, skladují a expedují. Druhý způsob představuje sterilizaci v trubkových výměnících a aseptické balení do kartónových obalů.
17.7 VÝROBA SUŠENÝCH MLÉČNÝCH VÝROBKŮ Sušené mléčné výrobky mají obsah vody redukovaný sušením na maximálně 5 %. Sušení se provádí nejčastěji v rozprašovací sušárně souproudé či protiproudé (podle směru přicházejícího horkého vzduchu a mléka). Dalšími typy sušáren jsou fluidní sušárny nebo válcové sušárny.
17.7.1. Sušení mléka a mléčných výrobků v rozprašovací sušárně Rozprašovací sušárnu tvoří ohřívač a rozvod horkého vzduchu, vlastní sušárna s rozprašovacím systémem, odvod suchého produktu ze sušícího prostoru, odlučovací zařízení pro usušený produkt a odcházející vzduch a ovládací a regulační zařízení. Filtrovaný sušící vzduch se ohřívá v ohřívači - kaloriferu - plynem nebo parou. Do sušícího prostoru je vzduch přiváděn přes vzduchové filtry, které slouží k odstranění mechanických nečistot. Sušící prostor (sušící věž) má obvykle tvar válce, u některých sušáren přecházejí kolmé stěny do konického tvaru. Ve věži je udržován pomocí odsávacích ventilátorů mírný podtlak (brání úletu prášku). Sušící vzduch a zahuštěné mléko jsou přiváděny do věže souproudně nebo protiproudně. Vstupní teplota vzduchu je 160-230 oC, Zahuštěné mléko se přivádí potrubím z vyrovnávacích nádrží ke stropu sušárny, kde je rozprašováno pomocí rozprašovacího zařízení. Nejčastěji používaná rozprašovací zařízení jsou trysková – vysokotlaké trysky nebo rotační – atomizér (rozprášení kapaliny do jemné mlhy). Sušící vzduch a mléko se musí uvnitř sušící věže dokonale promísit. Vzduch musí proudit tak, aby se zamezilo hromadění prášku v některých exponovaných místech sušárny a tím i samovznícení.
1.sušící věž 2. kalorifer 3. zásobník zahuštěného mléka 4. čerpadlo 5. atomizér 6. cyklona 7. transportní cyklona 8. odtah sušícího vzduchu
Obr. 17.16 Sušení v rozprašovací sušárně (Bylund 1995, upraveno) 69
Obr. 17.17 Rotační rozprašovací zařízení (http://www.niro.com) Z důvodu zabránění usazování prášku na stěnách sušárny je na vnitřní stěně sušárny je umístěna pomalu se otáčející trubice s tryskami, která tlakovým vzduchem odfukuje nános sušeného mléka ze stěn ke dnu komory. U válcových sušáren bývají mechanické shrabovače. Po obvodě vnější strany pláště věže jsou umístěna elektromagnetická kladiva, která v naprogramovaných časových intervalech údery odstraňují nánosy prášku. Usušený prášek padá do transportního žlabu a je unášen chladícím vzduchem pneumatickou dopravou. Do pneumatické dopravy k hlavnímu podílu prášku ústí i výpad prášku z cyklonu (odlučovače). Tvar cyklonu je válcovitý s kónickým zúžením dole, je přes něj odtahován využitý sušící vzduch ze sušárny spolu s částí jemného prášku. Rotačním pohybem zde dochází k odloučení prášku od vzduchu- vzduch je ventilátorem odsát a odchází nahoře otvorem v ose cyklonu do ovzduší. Prášek sklouzne dolů, vypadává do pneudopravy a spojuje se s hlavním podílem prášku. Při dvoustupňové sušení je sušící proces rozložen do 2 stupňů. Prášek není v sušící komoře dosoušen na konečnou vlhkost. Dosoušení probíhá na vibrofluidním žlabu.
17.7.2 Sušení ve fluidní sušárně (fluidní žlab, vibrofluidní žlab) Ve fluidní sušárně probíhá sušení na speciálním děrovaném plechu, pod nějž se vhání vzduch o určité teplotě. Na roštu se pohybuje tenká vrstva dosoušeného nebo chlazeného materiálu. Žlab je uchycen na pohyblivých vibrátorech, čímž je zajištěn pohyb materiálu.
Obr. 17.18 Vibrofluidní žlab (Bylund 1995, upraveno)
17.7.3 Sušení na válcové sušárně Zahuštěné mléko je vstřikováno na otáčející se válce, které jsou vytápěné parou. Během jedné otáčky válců se film mléka usuší a suchý se seškrabává z válců nožem. Pára se přivádí dovnitř válců z jedné strany a druhou odchází kondenzát. Sušící teplota na válcích se pohybuje 70
v rozmezí 100-130 oC. Provoz je úspornější (kontaktní sušení), prášek je však hůře rozpustný ve srovnání s rozprašovacími sušárnami.
Obr. 17.19 Válcová sušárna (http://www.lat.zshk.cz)
17.8 VÝROBA MÁSLA Máslo je mléčný výrobek obsahující mléčný tuk ve formě emulze vody a tuku. Surovinou pro výrobu másla je vysokotučná smetana o tučnosti 36-40 %, získaná odstřeďováním mléka. Pasteruje se (min 90 °C) a odvětrává, poté se nechá zrát (zrání fyzikální v uzravačích, kde se při nízké teplotě udržuje nejméně 2 hodiny), poté se přihřívá na stloukací teplotu. Zahřívání a ochlazení smetany se provádí z mezistěny uzrávače. Nejpoužívanější způsob výroby másla je zpěňovací a nejpoužívanějším zařízením je kontinuální zmáselňovač. Kontinuální zmáselňovač má zpravidla tyto části: kostru zmáselňovače, stloukací válec s rotorem, chlazený stator, odlučovací válec s náhonem, hnětač s vakuovou komorou a tunelem pro čidlo akvametru s vlastním náhonem a příslušenství.
Obr. 17.20 Kontinuální zmáselňovač (http://www.milcom-as.cz) Zralá smetana zahřátá na stloukací teplotu (12-15 °C) se stlouká po přivedení do stloukacího válce. Otáčejícím se rotorem se prudce dostává na obvod, kde ji na statoru zpracují lišty za současného chlazení na malá máselná zrna a na podmáslí. Tato směs vytéká do odlučovacího válce, který je umístěn pod stloukacím válcem a dochází k odloučení máselných zrn od podmáslí. Dále se máselné zrno případně pere a hněte ve hnětači. Hnětač tvoří dopravní a hnětací šneky, je chlazen ledovou vodou. Obsah vody v hněteném másle
71
sleduje čidlo aquametru. Vyhnětené máslo se přivádí do násypky formovacích a balících strojů, kde se formuje a balí a předisponuje do chladíren Příslušenství zmáselňovače se skládá z ovládacího panelu, spínačů, měřících přístrojů, dále z deskového chladiče s čerpadlem, z nádrží na podmáslí, prací vodu a čerpadel.
1. stloukací válec 2. odlučovací válec 3.a 4. hnětací válec Obr. 17.21 Schéma kontinuálního zmáselňovače (Bylund, 2005, upraveno)
17.9 VÝROBA SÝRŮ Sýry jsou mléčné výrobky získané vysrážením mléčné bílkoviny syřidlem nebo jiným vhodným koagulačním činidlem, prokysáním a oddělením podílu syrovátky. Syrové mléko na výrobu sýrů se ošetřuje šetrnou pasterací. Před sýřením se upraví tučnost mléka a přídavkem chloridu vápenatého syřitelnost. Do mléka se přidá čistá mlékařská kultura podle typu vyráběného sýra. Mléko se zahřeje na sýřící teplotu (30–33 oC) a přidá se syřidlo. Po zasýřeni se sýřenina zpracuje. Všechny tyto operace probíhají v sýrařském výrobníku - nerezové válcové dvouplášťové nádobě s nerezovým krytem o obsahu 3 až 12 tisíc litrů. Výrobníky jsou stojaté, válcové ležaté nebo dvouválcové.
Obr. 17.22 Sýrárna - výrobník a sýrařská vana (http://www.vps-hk.cz/cz/milch.html) Krájení sýřeniny se provádí ve výrobnících soustavou plochých nebo strunných nožů, uložených v rámu (harfy), které se otáčejí v různých výškových rovinách. V horní části je umístěn nosník s pohonem a otočné rameno k pohonu harf. Po rozkrájení sýřeniny následuje míchání, případně praní a dohřívání. 72
Obr. 17.23 Krájecí zařízení – harfy (http://www.vps-hk.cz/cz/milch.html) Poté je část syrovátky odpouštěna a sýrové zrno je vypouštěno z výrobníku do sýrařských lisovacích van. Vany jsou opatřena tvořítky podle požadovaného tvaru sýra. Tvořítka k formování sýrů jsou kovová nebo plastová, perforovaná, s možností odtoku syrovátky. Lisování, odkapávání a formování dává sýru tvar, zrno se spojí a vytvoří sýrovou hmotu. Tvrdé sýry se lisují v lisovacích vanách pneumaticky, vzduchovými pryžovými polštáři a lisovacími deskami. U měkkých sýrů dochází k samovolnému odkapávání syrovátky. Lisování sýrů probíhá jejich vlastní vahou a rovnoměrný odtok syrovátky z celé hmoty sýra je umožněn obracením sýrů. Syrovátka se po lisování odvádí do sběrné nádrže a dále se zpracovává zahuštěním a sušením.
Obr. 17.24 Sýrařská vana s tvořítky (http://www.vps-hk.cz/cz/milch.html) Obr. 17.25 Vana s lisovacím zařízením (http://www.vps-hk.cz/cz/milch.html) Při následujícím solení dochází k difúzi soli do sýrů, k zpevnění povrchu sýra, regulaci obsahu vody a úpravě chuti sýra. Většina sýrů se solí v solné lázni (teplé, chladné; koncentrace NaCl 16-23 %, doba solení několik hodin až 1–5 dnů). Solení na sucho nebo do těsta se provádí při výrobě speciálních sýrů. Po oschnutí se nasolené sýry ponechají 1-2 dny oschnout a pak se přepravují do zracích sklepů, kde probíhá zrání (teplé sklepy kvasné s teplotou 20 až 26 oC a 90% relativní vlhkosti vzduchu a chladné sklepy zrací s teplotou 10 až 15 oC a 80 až 100% relativní vlhkosti vzduchu). Sklepy jsou vybaveny klimatizační jednotkou včetně rozvodu filtrovaného vzduchu. Ve sklepech se sýry ukládají na police v kovových stojanech. Sýry zrají ve zracích foliích, pod plastovými nátěry, nebo bez obalu. Mezi sýry patří i tvaroh – nezrající sýr, získaný kyselým srážením, které převládá nad srážením pomocí syřidla. Při klasickém způsobu výroby je syrovátka oddělena po naplnění tvarohoviny do pytlů lisováním její vlastní vahou. Při kontinuální výrobě tvarohu se tvarohovina odstřeďuje na tvarohářských odstředivkách do požadovaného obsahu sušiny. Tavené sýry jsou sýry tepelně upravené za přídavku tavicích solí. Přírodní sýry se před zpracováním očistí a rozemelou na řezačce, v mlecí válcové soupravě nebo kutru. K rozmělněným sýrům se přidávají tavící sol i(emulgátory) a další přísady (máslo, tvaroh, 73
zelenina, uzenina, koření). Tavení probíhá v tavičkách, které jsou vybaveny míchadlem, zařízením pro přímý a nepřímý ohřev parou a zařízením pro registraci teploty. Tavení probíhá za stálého míchání přímým ohřevem parou, někdy současně i ohřevem do pláště. Současně s ohřevem se zapíná i vývěva, která vytváří v kotli podtlak 0,04-0,05 MPa. Celková doba tavení je 10-15 min při teplotě 85-95 oC. Teplá tavenina je na plničce následně plněna do obalů. Zabalené tavené sýry jsou přemístěny k chlazení.
Obr. 17.26 Tavička na výrobu tavených sýrů (http://www.salix-syry.cz)
17.10 VÝROBA KYSANÝCH MLÉČNÝCH VÝROBKŮ Kysané mléčné výrobky jsou získány kysáním mléka (smetany, podmáslí) za použití mikroorganismů - čistých mlékařských kultur. Výroba jednotlivých druhů kysaných mléčných výrobků se odlišuje různými nároky na standardizaci mléčných směsí, na složení čistých mlékařských kultur, a na kultivační podmínky. Po tepelném ošetření mléka se mléko standardizuje a pokud je třeba také zahušťuje odpařením nebo častěji přísadou sušeného mléka či jiných přísad. Tato směs je pasterována a homogenizována. Po zchlazení na vhodnou teplotu je provedena inokulace čisté mlékařské kultury. Kysání probíhá za vhodného teplotně časového režimu metodou tankovou (v celém objemu ve zracích komorách) nebo termostatovou (v obalech) v zracích tancích s prvky automatické regulace. Jsou to stojaté válcovité nádoby s možností zahřívání nebo chlazení. Umožňují provádět kultivace za vhodných podmínek, obsahu z prostoru mezipláště a jsou opatřeny míchadlem. Umožňují i rozmíchání koagulátu před stáčením a plněním do obalů..
17.11 VÝROBA MRAŽENÝCH SMETANOVÝCH KRÉMŮ Mražený krém je mléčný výrobek získaný přípravou vhodné směsi a jejím zmrazením snížením teploty na –18 oC. Suroviny se mísí ve směšovací nádrži opatřené míchadlem. Nádrž je duplikátorová. Základní směs se pasteruje za stálého míchání v duplikátorových nádržích nebo na deskových pastérech při 75-85 oC po dobu 15 až 20 sekund. Poté se filtruje přes filtry a následně homogenizuje v homogenizátorech. Po homogenizaci se směs zchlazuje v deskových chladičích na teplotu 2 až 4 oC a napouští do zracích tanků, kde probíhá 4 až 20 hodin zrání směsi. Přísady se přidávají do mražených krémů buď před zmrazováním nebo až po opuštění výrobníku. Základní směs se částečně zmrazí a současně se do ní našlehá potřebné množství vzduchu na výrobníku (freezer), který tvoří trubkový stíraný chladič, chlazený pláštěm, na jehož vychlazený vnitřní povrch je nanášena základní směs MSK, která je současně se zmrazováním seškrabována pomocí nožů upevněných na otáčející se hřídeli trubkového chladiče. Druhá krystalizace probíhá ve výparníku. Zmrazená a našlehaná směs se ihned formuje a balí. 74
18 POUŽITÁ LITERATURA BEUCHAT, L.: Microbial stability as affected by water activity, Cereal Foods World 26, 1981, s. 345-351. SINGH, P.R. A HELDMAN, D.R.: Introduction to food engineering. Academic Press, London, 2001. ISBN 012646384-0. BYLUND, G. Dairy processing handbook. Lund: Tetra Pack Processing Systems, ABS-221 86, 1995, 436 p. FELLOWS, P.: Food processing technology: principles and practice. Woodhead, Cambridge, 2. ed., 2000. ISBN 0-8493-0887-9. FORMAN, l., HUŠEK, V., PLOCKOVÁ, M., SNÁŠELOVÁ, J., ŠTÍPKOVÁ, J. Mlékárenská technologie II. 1. vyd. Praha: VŠCHT, 1994, 217 s. GAJDŮŠEK, S. Mlékařství II. 1. vyd. Brno: MZLU v Brně, 1993, 142 s. LUKÁŠOVÁ, J., BURDOVÁ, O., HOLEC, J., LINHARTOVÁ, E., VEČEREK, V. Hygiena a technologie mléčných výrobků. 1. vyd. Brno: VFU Brno, 2001, 180 s. NAŘÍZENÍ EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY (ES) č. 853/2004 ze dne 29. dubna 2004, kterým se stanoví zvláštní hygienické předpisy pro potraviny živočišného původu. Úřední věstník Evropské unie, 2004, L. 139, s. 14 -74. NAŘÍZENÍ EVROPSKÉ KOMISE (ES) č. 1662/2006, kterým se mění nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) 853/2004, kterým se stanoví zvláštní hygienická pravidla pro potraviny živočišného původu. Úřední věstník Evropské unie, 2006, L 320, s. 1-10. ROGINSKI, H., FUQUAY, J. W., FOX, P. F. Encyclopedia of Dairy Sciences. Vol I. London: Academic Press, London, 2003, p. 558. ROGINSKI, H., FUQUAY, J. W., FOX, P. F. Encyclopedia of Dairy Sciences. Vol. 2. New York: Academic Press, 2003, p. 1018-1063. VALENTAS, K.J., ROTSTEIN, E. A SINGH, P.R.: Handbook of food engineering practice. CRC Press, Boca Raton, 1997. ISBN 0-8493-8694-2. WALSTRA, P., GEURTS, TJ., NOOMEN, A., JELLEMA, A., van BOEKEL, MAJS. Dairy technology. Principles of milk properites and processes. 1st ed. USA: Marcel Dekker, Inc., 1999, 727 p. WALSTRA, P., et al. Dairy science and technology. 2nd edition. CRC Press, 2006. 782 p. Použité obrázky http://www.reznickepotreby.cz http://www.masoprofit.cz http://www.injectstar.com http://www.lumbeck-wolter.de/products.html http://www.handspol.pl http://www.fimex.cz http:www.mauting.com http://kulturistika.ronnie.cz/c-12130-kureci-maso-ii-porazka-a-zpracovani.html http://kulturistika.ronnie.cz/php/i_img.php?gal=12130_24 http://kulturistika.ronnie.cz/php/i_img.php?gal=12130_23 http://www.driml-napajecky.cz http://www.mavela.cz/provozovny/chov-slepic-dynin/ http://www.wotol.com/1-sanovo-sbs-3000-sbs-3001-egg-breaking-and-separa/second-handmachinery/prod_id/469471 http://www.ifauna.cz/ovce-kozy/forum/r/detail/75495/syrarny-a-minisyrarny http://www.machinepoint.com/foodtechnologies/machinery.nsf/beverage_technology/uht_en.html http://local.alfalaval.com/cs-cz/produkty/prenos-tepla/deskove/pages/deskove-vymeniky.aspx http://www.vps-hk.cz/cz/milch.html http://www.stroje.poziadavka.sk http://www.niro.com http://www.lat.zshk.cz http://www.milcom-as.cz http://www.vps-hk.cz/cz/milch.html http://www.salix-syry.cz http://www.erg.msu.edu/ steffe/handbook/fig.html obrázky (staženo 24.10.2011)
75
Autoři:
Doc. Ing. Jiří Štencl, DrSc. Doc. MVDr. Bohumíra Janštová, Ph.D.
Název:
Potravinářské inženýrství a technika
Ústav:
Ústav hygieny a technologie mléka
Počet stran:
76
Vydání:
1.
Povoleno:
Rektorátem VFU Brno
Podpořeno:
Projektem OP VK reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.0287
Vydavatel:
VFU Brno
ISBN 978-80-7305-680-0
76
