Vybrané procesy potravinářských a biochemických výrob

Transkript

1 Vybrané procesy potravinářských a biochemických výrob

2 Vybrané procesy potravinářských a biochemických výrob P r o g r a m p ř e d n á š e k : ================================================================== Týden/Datum Přednášející Téma přednášky =================================================================== Prof.Bubník Trendy v potravinářském inženýrství Nové procesy v potravinářských technologiích Budoucnost procesního designu Difúzní pochody, Krystalizace, Nukleace, Granulometrie, Distribuce částic, Odpařování, Sušení, Chlazení, Zmrazování, Lyofilizace, Neustálený ohřev a chlazení Vysoký tlak, chladná plazma, Fotokatalýza Ing.Šárka Moderní filtrační postupy a aparáty Ing.Hinková Separační procesy Membránová filtrace a separace Ionexy, Elektrodialýza, Pervaporace Ing.Henke Chromatografie, Superkritická extrakce Ing.Ševčík Procesy při úchově potravin Procesy při úchově potravin Ing.Štětina Usazování a odstřeďování Úprava potravinářských koloidních systémů Prof.Bubník Zkouška (písemný test, předtermín) ====================================================================================== Školní rok 2011/ FPBT, 1.ročník Mgr. Studium, Termín: Čtvrtek , místnost B 02

3 ZKOUŠKA = TEST Zkouška: Formou písemné práce, délka 2 h Klasifikace: A bodů, B bodů, C bodů, D bodů, E bodů, F... méně než 50 bodů Termíny: Předtermín: , B02, hod. Řádné termíny: každý týden zkouškového období, v pondělí od 9.30 do v knihovně Ústavu chemie a technologie sacharidů (budova "B", přízemí, číslo dveří 40), není nutno se předem přihlásit Zápis do indexu: Prof.Ing. Zdeněk Bubník, CSc. pondělí od 9.00 do h na Ústavu sacharidů, č. dveří 42

4 TRENDY VE VÝROBĚ POTRAVIN nové procesy Prof.Ing.Zdeněk Bubník, CSc. Ústav Chemie a technologie sacharidů VŠCHT Praha

5 Obsah: Trendy v potravinářském inženýrství Nové úkoly výzkumy Rozhraní potravinářského inženýrství Trendy ve výrobě potravin Voda klíčový problém Energetika, zdroje paliva

6 Evropský potravinářský průmysl Potravinářský a nápojový průmysl v EU: Jeden z nejdůležitějších a nejdynamičtějších průmyslových odvětví Evropy. Sestává přibližně z společností a poskytuje práci více než 4 mil. lidí. Roční obrat převyšuje 900 biliónů eur Záměr Evropská komise: Zvýšit úroveň evropského potravinářského průmyslu EU: Silný vývozce. Úspěch EU na světových trzích: odstranění existujících překážek: přílišná byrokracie nedostatek finančních prostředků malé možnosti výzkumu a vývoje potíže s přístupem k surovinám. Nejdůležitější opatření Evropská komise: vytvoření obchodního režimu, který zajistí evropským podnikům stejná pravidla jako zahraničním konkurentům zavedení preferenčních dohod tak, aby potravinářský průmysl EU získal lepší přístup na zahraniční trhy. dosažení rovnováhy mezi bezpečností a konkurenceschopností omezení zbytečné byrokracie.

7 Trendy v Potravinářském inženýrství Zaměření potravinářského inženýrství Současná definice Nové směry (příklady) Výzkum a vývoj nanotechnologií Extruze Superkritická extrakce Budoucnost procesního designu

8 Zaměření potravinářského inženýrství Obecně = potravinářské inženýrství je uplatnění inženýrského přístupu v jakémkoliv stupni dodání potravin ke spotřebiteli Může být považováno za odvětví jedné nebo i více inženýrských disciplín Často tvoří základní složku potravinářských věd a technologií Musí zajišťovat vazbu mezi inženýrstvím a aplikací potravinářských věd

9 Současná definice Potravinářské inženýrství se zabývá definováním fyzikálních principů spojených s potravinami a jejich složkami (přísadami) a dále aplikací těchto principů na manipulaci, skladování, zpracování, balení a distribuci potravinářského produktu ke spotřebiteli Potravinářské inženýrství se týká inženýrských aspektů výroby a zpracování potravin. Zahrnuje principy aplikace (nejen) zemědělského a chemického inženýrství na potravinářské materiály.

10 Nové úkoly výzkumu Jaké jsou nové směry a úkoly výzkumu? (závěry světového kongresu potravinářského inženýrství ICEF) 1. Použití nanověd a nanotechnologií a převedení získaných výsledků do oblasti aplikací. 2. Přispět k dosažení cílů spojených s nutričními, zdravotními a wellness aspekty potravin. 3. Dosáhnout udržitelné výroby potravin.

11 Aplikace výzkumu v oblasti nanověd Zvýšení trvanlivosti produktů. Zlepšení textury výrobků. Získání nanočástic a nanolátek. Dodání ochucujících a bioaktivních sloučenin Nové a zdokonalené balení produktů.

12 Budoucnost procesního designu Včlenění bioaktivní látky do potravin takovým způsobem, který umožní, aby během látkové přeměny potraviny zároveň došlo k přenosu této látky na přesně určené místo v těle.

13 Rozhraní potravinářského inženýrství Výživa zdraví a wellness: Nutriční potravinářské výrobky Přidaný zdravotní užitek Nutriční základ Zákaznické trendy: Demografický rozvoj Stárnutí populace Epidemie obesity Povědomí o výživě a zdraví Přirozené versus zpracovávané potravin Stravování za pochodu Prostředí a regulace: Potraviny versus léčiva Zdravotní požadavky Vědecká zdůvodnění Novel Food EU = potraviny a jejich součásti, jež nebyly používány ve velké míře pro lidskou výživu v rámci EU před květnem 1997.

14 Trendy ve Výrobě potravin Návrh procesů (minimální zpracování, nové technologie, vyhodnocení dosavadních postupů a metod, návrh zařízení a hygiena). Řízení procesů (sensory, snímání obrazů, robotika, podávání zpráv z procesu a dálkové ovládání) Obaly (znovu použitelné, biodegradovatelné, aktivní) Produkty šité na míru (funkční potraviny, mikrostrukturní a senzorické aspekty, jídlo pro snadnou spotřebu, personalizovaná výživa

15 TRENDY V POTRAVINÁŘSKÝCH TECHNOLOGIÍCH komplexní pohled Vstupní látky = SUROVINA Výstupní látky = VÝROBKY Odpady NEJSOU, bezodpadové technologie, izolace cenných látek z bývalých odpadů Moderní procesy nahrazování chemických procesů fyzikálními postupy (např. chemické srážení membránovou filtrací, sterilace pomocí vysokého tlaku, nahrazení chemických činidel), minimalizace zásahu do suroviny Výroba a nutriční hodnota X Ekonomika výroby a Ekologie Vliv na životní prostřední : zápach, vody provozní a odpadní (čištění, recirkulace, zdroj energie) Snižování energetické náročnosti X Zdroje energie Nepotravinářské využití potravinářských surovin - biopaliva Moderní způsoby řízení neinvazivní kontrolní metody s okamžitou odezvou pro výrobní postupy Modelování a simulace postupů (snížení potřeby a náročnosti experimentálních výzkumů)

16 Odpadní a provozní vody : zdroje, spotřeba a čištění Základní otázky: Kolik vody z vnějších zdrojů je třeba pro provoz? Jaký je hlavní zdroj vody? surovina Metodika čištění odpadních a provozních vod: Vícestupňová fermentace: anaerobní i aerobní, denitrikace Anaerobní fermentace: 1.produkce vodíku, 2.produkce methanu Uzavřené okruhy ( zaokruhování odpadních a provozních vod) Biologická čistírna odpadních vod Methanová fermentace : Produkce výhřevného bioplynu z anaerobního stupně snížení spotřeby paliv Moderní anaerobní postupy ve fluidním stavu : Věžový anaerobní reaktor s fluidní vrstvou Denitrikace jako samostatný stupeň Výsledky: čistota vody lepší než okolní povrchová voda (řeky)

17 Vody provozní a odpadní Nové potenciální postupy čištění: Odbourávání polutantů (fotokatalýza a NF) Nasazování moderních technologií (membrány )

18 ANBICO-Biologická čistírna odpadních vod 1 - Nátok surové odpadní vody 2 - Ohřev odpadní vody 3 - Anaerobní reaktor 4 - Odplyňovací tank 5 - Lamelový usazovák 6 - Aktivace 7 - Dosazovací nádrż 8 - Vyčištěná voda 9 - Odvod přebytečného kalu 10 - Zásobník bioplynu 11 - Hoření zbytkového bioplynu 12 - Bioplyn k vyużití

19 Energetika Základní otázky: Bezpečnost a zajištění energických zdrojů? Jaké druhy paliva jsou perspektivní? Energetická politika 1997 Kyoto: redukce CO 2 na úroveň roku 1990 (do r.2012) 1997 EU zdvojnásobení podílu OZE ze současných 6 % na 12 % v roce 2010 (CZ 2,6 %) V současnosti: 50 % energie EU dováží!!! (dovoz stoupá!) Při vývoji v EU beze změn: až 70 % dovoz v r EU27 : 20 % OZE v roce 2020 Současný odhad pro svět: ročně produkce asi miliard tun biomasy, což obsahuje asi 5-ti násobek světové spotřeby energie

20 Zdroje paliva Uhlí? jen kvalitní, nutné zařízení na snižování emisí, udržuje se jen díky ceně Mazut, nafta, topné oleje? vysoká cena Zemní plyn perspektivní (plynová turbína) bezpečnost a pravidelnost dodávek??? Bioplyn z vlastní biologické čistírny odpadních vod dobrý, ale jen pomocný zdroj Bioplyn při komplexním/kombinovaném zpracování odpadů, surovin a další biomasy

21 Sušení přehřátou párou Energetické schéma potravinářského provozu se sušárnou používající přehřátou páru

22

23 B I O P A L I V A Zákonná norma pro biopaliva pro ČR podepsaná : od povinnost přidávat MEŘO do motorové nafty od povinnost přidávat ethanol do benzínu od : + 2,0 % od : + 3,5 % od : + 5,75 % Podpora státu (resp. EU): 45 EURO / ha (pro pěstování plodin na nepotravinářské využití - biopaliva)

24 Produkce biopaliv Pšenice Ječmen Řepa cukrovka Produkce biomethanu (m 3 /t) Energie z biomethanu na hektar (GJ/ha.a) Výtěžnost ethanolu (l/t) Energie z ethanolu na hektar (GJ/ha.a)

25 Dvoustupňová fermentace biomasy na vodík a methan

26 Novinky v Bio-Energetice : V roce 2009 výstavba kombinátu v Lengensfeldu (Německo): Cíl: výroba bioethanolu, bioplynu a palivových pelet Suroviny: cukrovka, bramboty a obilí. LCaŘ,125,2009,5 Fermentace hydrolyzátu z rostlin (tj. i z dřeně cukrovky): v roce 2008 úspěšná konverze na ethanol nejen hexos ale hlavně pentos, zejména D-xylosa a L-arabinosa LCaŘ,125,2009,5 Katalytická konverze cukru na benzín, naftu, letecký benzín a další uhlovodíky: Patent BioForming: Výtěžnost 85 % (výroba paliv vztažená na teoretický výtěžek ze sacharidické suroviny), LCaŘ,125,2009,21, Int.Sugar J.,110,2008,

27 Novinky v Bio-Energetice (pokr.): Palivová směs E85 vyrobeno v ČR: uvedl na trh TTD Agroethanol Dobrovice. LCaŘ,125,2009,21-22 žhavá novinka : na E95 nulová spotřební daň, u E85 se nedaní lihová část, Využití bioethanolu ve vznětových motorech LCaŘ,125,2009,24-27 Z komise EU: v roce 2008 zaplatila EU 1,82 miliónu hl palivového bioethanolu z vína (cca 40 Euro/hl). F.O.LICHT,7,2009,178 FUJ!!! (=poznámka přednášejícího)

28 Nový lihovar v TTD Dobrovice Trendy v potravinářském inženýrství Nové procesy v potravinářských technol Budoucnost procesního designu Difúzní pochody, Krystalizace, Nuklea Granulometrie, Distribuce částic,

29 a už mi jede vlak! Musím končit. Děkuji všem posluchačům za pozornost

30 MEMBRÁNOVÉ SEPARACE

31 Extrakt - šťáva - syrovátka koloid Mmol MO barv. Sacha ridy soli voda MF čištění, filtrace UF čištění, odbarvení NF odsolování částečné zahuštění šťávy

32 Tlakové separační procesy

33 Rozdělení podle velikosti dělených částic

34

35 Membránové procesy, mikrofiltrace, Ultrafiltrační membránová jednotka TIA (F) ultrafiltrace, nanofiltrace Keramická membrána Nanofiltrační membránová jednotka

36 Nanofiltrační jednotka NA-IO TIA

37

38

39 Fotokatalýza a její aplikace při odstraňování polutantů z odpadních vod

40 Photocatalytic reactor APF II Product of MIKROPUR Hradec Kralove The scheme of the photocatalytic reactor: 1 - UV lamp, 2 photocatalytic cell, 3 - glass cylinder, 4 conductometer, 5 feeding vessel, 6 data acquisition (Almemo), 7 pump, 8 cooling water, 9 oxygen, 10 reaction mixture, 11 gaseous products.

41 Photocatalytic Reactor FDC 85 with Nanofiltration Product of MIKROPUR Hradec Kralove, CZ

42 Ohmický ohřev heterogenních potravin Tlakové, elektrické a tepelné procesy k ošetření potravin Vysoký tlak (objem komor zařízení od 0,2 ml do 125 litrů ČR) Vysokonapěťové pulzy (výkon od 0,2 kw do 800 kw) Chladná plazma Intenzivní světelné záblesky

43 Vysokotlaká pasterace Principy a provedení Potravina zabalena do flexibilního obalu Umístěna do tlakové komory vysokotlakého lisu Vše zalito pitnou vodou nebo jinou tlakovací kapalinou Po uzavření komory se čerpá kapalina k docílení tlaku od 4000 do 6000 i více barů Reálná doba výdrže na tlaku (2-15 minut) Řízený pokles tlaku

44 Dosud známé účinky tlaku na potraviny: Výhody - inaktivace živých mikrobů bez nutnosti ohřevu - zachování přirozeného vzhledu, barvy a obsahu nutričních látek, aroma - částečná koagulace bílkovin (u mléka možnost ušetřit částečně syřidlo při výrobě sýrů) - zachování enzymů (někdy výhoda, jindy nevýhoda) - zachování účinných látek (například antimutagenních látek v ve šťávách z křížatých druhů zeleniny) - Odstranění alergenicity ovocných šťáv a rýže Nevýhody - nemá účinek na spory mikrobů (nejde o sterilaci) - zařízení má menší výkon

45 Příklady vyráběných potravin ve světě - Quacamole (Avomex, U.S.A.) hustá omáčka z avokáda - Salsa Mexicana (Avomex, U.S.A.) - Chicken Fajita Dinner (Avomex, U.S.A.) hotový chlazený kuřecí pokrm - Gold Oysters (Motivatit Seafoods, U.S.A.) ústřice (snadné otvírání, inaktivace Vibrio cholerae) - Organic apple juice (Frubaca Portugalsko) jablečná šťáva - Orange juice (Orchard House, Velká Británie) čerstvá chlazená pomerančová šťáva s trvanlivostí 21 dnů - Solofrutta (ATA Itálie) ovocné šťávy a pyré - Vařená rýže (Eschigo Seika, Japonsko) vařená rýže vhodná pro ohřev v mikrovlnné troubě Vařená šunka (Espuňa, Španělsko) krájená šunka po vakuovém zabalení ošetřená vysokým tlakem (prodloužení trvanlivosti) - Šunka Prosciutto (Abraham Brothers, Německo) (ing.houška, VUPP)

46 NC HYPERBARIC designs, manufactures and markets industrial High Pressure Processing equipments for food processing.

47 Vysokonapěťové pulzy PEF Využití: Pasterace kapalných potravin (ovocné šťávy, mléko, vaječné produkty) Prevence tvorby biofilmů na straně chladicích médií Otevírání buněk rostlin při výrobě cukru nebo škrobu nebo šťáv (úspora energie i investic, menší zařízení, úspora enzymů)

48 Chladná plazma Směs 97% helia a 3% kyslíku mezi dvěma elektrodami, napětí několik kv, f=50 Hz. inaktivace mikroorganismů včetně spor smrtící účinek na mikroorganismy díky UV záření, volným radikálům a zejména atomárnímu kyslíku využití: zejména sterilizace povrchů (obaly, kontaktní plochy)

49 Ošetření intenzivními světelnými záblesky Používá lampy s parami Xenonu: - Generují krátké intensivní záblesky (300 µsec.) vznikající ionizací plynu uvnitř lampy. - Použito vysoké napětí na kontaktech lampy cca 3000 voltů. inaktivace mikroorganismů včetně spor mikrobiální dekontaminace ploch potravin (ovoce, vejce, chléb, bílé pečivo) mikrobiální dekontaminace obalů

50 Metody na řízení procesů a hodnocení kvality surovin a produktů. Aplikace operativních a neinvazních metod, zejména počítačové analýzy obrazu = Computer Image Analysis Systém Image Analysis : distribuce produktu v průběhu výroby hodnocení barvy, struktury, poškození apod. Oblasti uplatnění: Cereální technologie, Technologie masa uzenin, Výroba nápojů, škrobu, mléčných výrobků atd

51 Image Analysis hodnocení velikosti a distribuce částic, sraženin, kalů a krystalů

52 Sledování krystalizačního procesu na zrničích TTD vyhodnocení metodou Image analysis (rychlá zpětná vazba s možností včasného zásahu do procesu)

53 Děkuji za pozornost a pokračujeme

54 Glass Transition in Food Engineering - Skelný přechod (amorfní formy) v potravinářském inženýrství

55

56

57 Glass transition phenomena

58

59

60

61

62 Extruze Proces mající svůj původ v polymerním průmyslu. Potravinářské aplikace jsou založeny na kombinaci vlivu: 1. Tlaku 2. Teploty 3. Času na potraviny a jejich složky Výsledkem je vyšší pestrost a rozmanitost potravinářských výrobků a jejich kvalita.

63 Vývojový diagram extruze

64 Supercritical Extraction - Superkritická Extrakce

65

66

67

68

69

70

71

72

73 MODELOVÁNÍ A SIMULACE POTRAVINÁŘSKÝCH VÝROB Příklad 1: Kontinuální chromatografická separace Příklad 2: Bezodpadová výroba a produkce biopaliva

74 MODELOVÁNÍ A SIMULACE Příklad 1: Kontinuální chromatografická separace

75 KCHS-SMB-8-N kontinuální chromatografický separátor princip založen na chromatografickém systému se simulovaným tokem pevné fáze Diskontinuální a kontinuální chromatografická separace pevná fáze: Lewatit MDS 1368 Na kolona: vnitřní objem 1 l, délka 2000 mm maximální tlak 0.4 MPa celkový příkon: 2 kw

76 Diskontinuální a kontinuální chromatografická separace Modelování průběhu procesu y dm=ρdv=ρadx dm r,in /dτ dm r,out /dτ 0 x x+dx 2 c r cr ( x) cr ( x) D v r 2 r (1 ) K r x x q r f ( c ) K r r c r c ( 0) c ( 0; x) r r x P1 Feed Eluent P P2 P5 Simulace procesu Extract Raffinate cr x 0 vr D r c r c in cr x x L 0 Q Ex Section I Q E 3 4 Section II 2 Liquid p. Q Re 5 Section IV 1 Solid p Q F Section III Q Ra

77 Diskontinuální a kontinuální chromatografická separace Řízení procesu distribuované řízení výpočet distribučních koeficientů z diskontinuálních měření odhad operačních parametrů na počátku procesu archivace měřených hodnot vyhodnocování běžících procesů fuzzy řízení Operátorský panel Základní schéma řízení SMB CHROMATOGRAPHY STATION Standard Industrial Signals PC WinCC PLC OPC SERVER RS 232 conductivity, refraction MATLAB DATABASE

78 Diskontinuální a kontinuální chromatografická separace Aplikace diskontinuální separace kontinuální separace Desorption curve for lactose hydrolyzate g/l GOS Lac Glc Gal t/min Frakcionace melasy: - izolace betainu - izolace sacharosy Frakcionace hydrolyzované syrovátky: - izolace galaktooligosacharidů

79 MODELOVÁNÍ A SIMULACE Příklad 2: Bezodpadová výroba a produkce biopaliva (cukru a ethanolu)

80 Standard scheme

81 Technological scheme of TTD

82 TTD scheme cont.

83 Model of TTD scheme

84 Model of TTD scheme : 5st part

85 New scheme of ICT Prague

86 New scheme of ICT Prague cont.

87 Bezodpadová výroba cukru a ethanolu v cukrovaru Kombinovaná technologie VŠCHT: Membránová filtrace, fermentace a přímá krystalizace surové šťávy

88 Fig. : Results of mass balance Model 1: 100 % of raw juice is used for sugar production, i.e. 100 % of juice goes to purification Model 5: total processing of raw juice to ethanol, i.e. 0 % of juice goes to purification.

89 Výsledky modelování a simulace limitní případy použití surové řepné šťávy Model 1: If all raw juice is used for sugar production, we could obtain: 28 t/h of sugar, 19 t/h of ethanol, 40 t/h of feeding pellets 21 t/h of carbon dioxide Using all raw juice for fermentation yields: Model 5: 0 t/h of sugar, 31 t/h of ethanol, 43 t/h of feeding pellets 36 t/h of carbon dioxide.

90 a už mi jede vlak! Musím končit. Děkuji všem posluchačům za pozornost