SU ENÍ ROSTLINNÝCH MATERIÁL

Transkript

1 SU ENÍ ROSTLINNÝCH MTERIÁL Ing. Gulnara Grdzeli vili kolitel: Doc. Ing. Pavel Hoffman, CSc. bstrakt Tento p ísp vek navrhuje vysv tlení zvlá tností su ení rostlinných materiál. Obsahuje stru nou p ehlídku teoretických základ su ení rostlin. Jsou projednány faktory ovliv ující rychlost su ení a zm ny v rostlinných materiálech p i su ení. Také je uvedena klasifikace su áren a jsou posouzeny n které nejvíce pou ívané a perspektivn j í druhy konvektivního su ení surovin rostlinného p vodu. Klí ová slova Drying, preservation by drying, drying processes, drying of food materials, drier, dryer, moisture movement, heat transfer, mass transfer 1. Úvod Z hlediska spot eby, rostlinné produkty jsou d le itým a nenahraditelným zdrojem vitamin a minerálních látek, av ak nejsou významným zdrojem bílkovin, tuk a energie. P edpokládalo se, e syntetické vitamíny mohou nahradit p irozené, proto e byly reprodukovany syntézou z p írodních materiál. Nicmén mnohé v decké studie týkající se vlivu syntetických vitamín na lidské t lo, stále více a více potvrzují jejich negativní vliv. tak, rostlinné produkty byly a jsou jediným nesporným zdravým zdrojem vitamín, a nejen vitamin. V t ina rostlin navíc obsahuje jedine né zdraví prosp né látky a má lé ivé schopnosti. Nap íklad, pálivé papriky bojují proti rakovin k e, brambory sni ují riziko mrtvice, hroznový d us stejn jako ervené víno p sobí na srdce, meru ky pomáhají zachovat dobrý zrak atd. V t ina rostlinných materiál obsahuje p ibli n 80% vody, a proto podléhají zkáze. Z d vod nevhodného zpracování, p i p eprav a skladování jejich celková ztráta m e dosahovat a 20-40%. Krom materiálních a ekonomických ztrát, vá né ztráty vznikají v obsahu základních ivin, zejména vitamin a minerálních látek. Transformace rostlinných produkt podléhajících rychlé zkáze s cílem jejich uchování po dlouhou dobu je v sou asné dob d le itým úkolem. Jednou z hlavních technologií prodlou ení trvanlivosti je su ení. Technika dehydratace je pravd podobn nejstar í zp sob konzervace potravin. Odstran ní vlhkosti zabra uje mno ení mikroorganism zp sobujících rozklad a minimalizuje mnohé mikrobiologické, biochemické a enzymatické zm ny. V d sledku su ení hmotnost rostlinných výrobk se zmen uje 4-8 krát, a objem 3-4 krát. Tím se výrazn sni ují náklady na balení, skladování a p epravu. D le itým faktorem je mo nost skladovat výrobek p i teplot okolního prost edí. iroká r znorodost materiál su ení a vysoké náklady na su ení zp sobilo vývoj r zných konstrukcí su áren. V t ina z nich je pro pevné ástice a je provozována kontinuáln p i p ibli n atmosférickém tlaku.

2 2. Teoretické základy su ení rostlinných materiál 2.1 Podstata procesu su ení Su ení je b ný fyzikální proces odstra ování ne ádoucí vody z p íslu ného materiálu do ovzdu í cestou jejího odpa ení. P i samotném su ení vlhkých materiál probíhají vzájemn provázané procesy p enosu tepla a hmoty mezi materiálem a su icím médiem. P i odpa ování vlhkosti z povrchu se naru uje rovnováha. Vnit ní ásti suroviny mají vy í obsah vlhkosti, a rovn i ni í teplotu ne povrchové vrstvy. Vzhledem k rozdílu obsahu vlhkosti povrchových a vnit ních vrstev vzniká gradient vlhkosti. To vede k proces m difuze vnit ního p enosu hmoty, p i kterých dochází k pohybu vlhkosti z vnit ních, více vlhkých vrstev, k povrchovým a zde dochází k jejímu odpa ování. Díky existenci gradientu obsahu vlhkosti probíhá kontinuální pokles vlhkosti v celém objemu su icího materiálu. Transport vlhkosti uvnit výrobku ovliv uje také termodifuze, která je podmín na rozdílem teplot. Pod jejím vlivem se vlhkost pohybuje od oblastí s vy í teplotou do oblastí s ni í teplotou (v závislosti na tvaru sorp ních izoterem). P i nízkoteplotním su ení termodifuze nemá podstatného významu, ale p i vysokoteplotním su ení má zna ný vliv na su ení. Nap íklad, b hem konvektivního su ení jev termodifuze brání pohybu vlhkosti z vnit ních vrstev k povrchu, proto e teplota vnit ních vrstev (kv li vy ímu obsahu vlhkosti) je ni í. Proto je v t chto p ípadech se doporu eno pou ít oscila ní re im su ení se st ídavým dodáváním studeného a horkého vzduchu. To zaji uje shodu sm ru difuze a tepelné difuze vlhkosti a su ení se zrychlí. P i zrychlených metodách su ení (p i teplotách nad C) k odpa ování vlhkosti dochází rovnom rn v celém objemu výrobku, a vlhkost uvnit se pohybuje ve form páry. To vede k vzniku tlakového gradientu, proto e rychlost p em ny vody v páru je vy í, ne rychlost jejího odvodu z produktu. Tím se urychluje transport vlhkosti. Procesy vnit ního a vn j ího p enosu tepla a hmoty jsou propojeny a vedou ke zm n hmotnosti výrobku b hem su ení. 2.2 Rostlinné materiály jako objekt su ení Suroviny rostlinného p vodu, jako objekt su ení, jsou charakterizovány velkým mno stvím vody a malým obsahem su iny. Rostlinný materiál má kapilárn -porézní strukturu. Jeho chemické slo ení je dáno sacharidy, bílkovinami a lipidy. V malém mno ství jsou obsa ené biologicky aktivní látky, které ur ují chu a biologickou hodnotu surovin: polyfenoly, vitamíny, organické kyseliny, minerální látky. V t ina su iny v rostlinných surovinách je tvo ená uhlohydráty, které podmi uji chu ové vlastnosti a konzistenci. Na základ toho, su ení rostlinného materiálu má n které technologické zvlá tnosti. Brambory a fazole z uhlohydrát obsahují hlavn krob, zelenina a ovoce mono- a disachary: glukózu, fruktózu, sacharózu. Vysoký obsah monosacharid p i su ení surovin zp sobuje tvo ení melanoidin a dochází ke tmavnutí produktu. Krom toho vysoký obsah cukr v ovoci a bobulích zvý uje délku doby trvání procesu su ení rostlinných surovin. Nejpevn ji je vlhkost vázaná pektinem, pak krobem, celulózou a sacharózou. Celulóza, hemicelulóza, - jsou základní slo ky, které tvo í kostru rostlinné bu ky, ve vod se nerozpou t jí a p i su ení se prakticky nem ní. Pektiny - mají schopnost vázat vlhkost a prodlo ují proces su ení. Proteiny denaturují p i su ení, áste n hydrolyzují, m ní se aminokyselinové slo ení su ených výrobk. Polyfenolické látky, které mají vysokou biologickou aktivitu, hrají úlohu p i vytvá ení chuti, barvy, v n. P i technologickém zpracování jsou asto p í inou enzymatického ztmav ní.

3 Organické kyseliny jsou snadno rozpustné ve vod a p i mytí (zejména oloupanych a nakrájenych na kosti ky surovin) jsou jejich ztráty významné. Vitamíny jsou velmi labilní a citlivé na zm ny teploty a na vliv kyslíku. To by se m lo brát v úvahu, jak p i p íprav rostlinného materiálu k su ení, tak i p i su ení. Minerální látky p i su ení tém v echny se zachovají. Z d vodu omezení jejich ztrát se o i t né a nakrájené suroviny nesmí dlouho má et ve vod. To znamená, e rostlinný materiál je velmi slo itý a jeho su ení bez zhor ení kvality potravin je velmi obtí ný úkol. 2.3 Typy vazby vlhkosti v materiálu Voda je hlavní slo kou rostlinných bun k, pro v t inu p ípad její podíl iní od 75% do 90%. Nejd le it j í je zp sob vazby vody v su eném materiálu. Existuje volná vlhkost a vázaná vlhkost. Volná vlhkost není spojena s molekulami látky, m e se voln pohybovat od bu ky k bu ce. Pou ívá se pro napájení a podporu ivotní innosti bu ek. V ní je v t ina vlhkosti. Volná vlhkost se nachází na povrchu materiál, ve velkých póréch a v makrokapilárách, snadno se odstra uje, krom su ení, té pomocí mechanického p sobení (odst ed ním, lisováním). Vázáná vlhkost se tvo í v d sledku vazby s molekulami látky a je charakterizována následujícími fyzikáln -chemickými vlastnostmi: slab nebo v bec nerozpustí látky, které jsou rozpustné ve volné vod má m rnou tepelnou kapacitu ni í ne je obvyklá a p ibli n rovnou m rnému teplu ledu zamrzá p i velmi nízkých teplotách pod bodem mrazu má vy í hustotu ve srovnání s volnou vlhkostí je neelektrovodivá, na rozdíl od isté vody, proto e neobsahuje rozpustné látky. V t ina vody se nachází ve volné form, a jen asi 5% je vázáno na bun né koloidy a zde je pevn vázána. To vysv tluje snadnost su ení ovoce a zeleniny do obsahu vlhkosti 12-14% a komplikace s odstran ním zbytkové vlhkosti. P i vysou ení surovin vlhkost asto dosahuje hodnoty a 8-20%. Rebinder klasifikoval formy vazby vlhkosti s materiálem do t ech skupin: chemické, fyzikáln -chemické a mechanické vazby. Chemická vazba je nejodoln j í. Chemicky vázaná vlhkost se prakticky neodstra uje b hem su ení. Chemicky vázaná vlhkost se d lí na vlhkost vody, p ipojené ve form hydroxylových iont a vody, obsa ené v krystalických hydrátech. Fyzikáln -chemická vazba je mén pevná. Tato skupina zahrnuje adsorp n a osmoticky vázanou vlhkost. Mechanická vazba je nejslab í, udr uje se díky obsazení makro- a microkapilár. Proto tuto vlhkost také nazýváme kapilárn -vázánou. Mechanicky vázaná vlhkost se prakticky neli í vlastnostmi od volné vody, její lze pova ovat za volnou vodu, která b hem su ení se snadno odstra uje nejd íve. 2.4 Izotermy adsorpce a desorpce Podle schopnosti materiál pohlcovat vlhkost z okolního prost edí rozli ujeme hygroskopické a nehygroskopické látky. Schopnost materiálu udr ovat vlhkost je d le itá p i su ení a charakterizuje se rovnová nou vlhkostí. Tato hodnota závisí na teplot a vlhkosti okolního prost edí.

4 Rovnová ná vlhkost je vlhkost, p i které tlak vodní páry nad materiálem se bude rovnat parciálnímu tlaku vodní páry v okolním prost edí. P i tom teplota materiálu se rovná teplot okolního prost edí. Grafický vztah mezi obsahem rovnová né vlhkosti materiálu a vlhkosti vzduchu p i ur ité konstantní teplot se nazývá sorp ní izotermou materiálu. Pokud rovnováha je dosa ena adsorpcí vlhkosti z okolního vzduchu, dostaneme adsorp ní izotermu (vlh ení). Jestli e rovnováha byla dosa ena odevzdáním vlhkosti materiálem okolnímu vzduchu, vytvá í se izoterma desorp ní (su ení). dsorp ní a desorp ní izotermy jsou na obr. 1. Obr. 1. dsorp ní a desorp ní izotermy Hlavní slo ky ovoce a zeleniny - sacharóza, krob, pektin a celulóza mají r zné ú inky na vazbu vlhkosti s materiálem. Hodnota rovnová né vlhkosti p i stejné relativní vlhkosti a teplot vzduchu je nejvy í u pektinu (a tak nejv t í je i energie vazby), pon kud ni í je u krobu a nejni í u sacharózy. Proto je vlhkost nejpevn ji vázaná pektinem, pak krobem, celulózou a sacharózou. Obsah t chto slo ek v rostlinných materiálech má podstatný vliv na dobu trvání procesu su ení. 2.5 Ur ování obsahu vody Pro definování obsahu vody v su eném materiálu se pou ívají následující vztahy: M rná vlhkost: S m H O = (1) m X 2 S Relativní vlhkost: m H2O = (2) m V Tyto vztahy neberou v úvahu chemicky vázanou vodu, kterou tepelným zp sobem su ení nelze odstranit.

5 2.6 Su icí prost edí Su icím prost edím mohou být spaliny, pára nebo inerty, ale nej ast ji vzduch (vlhký vzduch). Jeho stav charakterizuje obsah vlhkosti (m rná a relativní vlhkost), teplota (skute ná teplota, teplota rosného bodu, teplota mokrého teplom ru), entalpie a hustota. M rná vlhkost X - relativní hmotnostní podíl vodní páry (kg páry/kg suchého vzduchu); v technice prost edí je v ité pojmenování absolutní vlhkost. Relativní vlhkost - pom r hmotnostní koncentrace páry v k maximální mo né koncentraci páry v " v nasyceném vzduchu (p i té e teplot ). Entalpii vlhkého vzduchu, vzta enou k referen ní teplot 0 C, vyjád íme jako sou et entalpie suchého vzduchu (c t ) a entalpie vodní páry (I w + c v t ), kde c (=1.01 kj.kg -1.K -1 ) je m rná tepelná kapacita suchého vzduchu, c v (=1.84 kj.kg -1.K -1 ) m rná tepelná kapacita vodní páry a I w (=2500 kj.kg -1 ) je výparné teplo: h = c t + X (Iw + c v t ) (3) Takto definovaná entalpie je vzta ena na 1 kg suchého vzduchu. Teplota rosného bodu T dp (dp - dew point) teplota p i které za íná docházet ke kondenzaci páry, souvisí zcela jednozna n s m rnou vlhkostí vzduchu X M = M w p p " v ( Tdp ) " ( T ) - p v dp ( Tdp ) " p ( T ) " pv = 0.622, (4) p co vyplývá z definice m rné vlhkosti (molární pom r páry a suchého vzduchu je dán pom rem parciálních tlak a moly se p epo tou na kilogramy dle molekulových hmotností M w =18 a M =28.96). v dp Obr. 2. h-x diagram vlhkého vzduchu (oh ev vzduchu) Teplota mokrého teplom ru T wb (wb - wet bulb) je to teplota, kterou ukazuje teplom r obalený mokrou pun o kou p i vynuceném obtékání vlhkým vzduchem a p i odstín ní proti tepelnému zá ení (psychrometr). T wb charakterizuje teplotu materiálu p i vysou ení volné

6 vody a po odstran ní volné vody se teplota materiálu m e zvý it a na teplotu su icího vzduchu T. T wb se ji tak snadno spo ítat nedá a v technických výpo tech ji lze aproximovat teplotou adiabatického sycení. Parametry vlhkého vzduchu se znázor ují v Mollierov h-x diagramu, který lze sestrojit na základ p edchozích vztah. Na horizontální ose je m rná vlhkost X a na vertikální entalpie; rastr entalpií je sklon ný o úhel výhoda spo ivá v tom, e izotermy jsou pak p ibli n horizontální, viz obr.1 (p i konstantních c a I w jsou to dokonce rovnob né p ímky, viz rovnice (3)). Porovnáním lze ict, e Mollier v h-x diagram vyjad uje stejné vlastnosti jako Psychrometrický diagram SHRE. Oba jsou velice u ite né p i e ení stav zm n vlhkého vzduchu. Proces transformace Mollierova diagramu do diagramu Psychrometrického je ukázán dole. Obr. 3. Transformace Mollierova diagramu do diagramu Psychrometrického 2.7 Porovnání veli in a vztah pro výpo et vlhkého vzduchu v R a v US (americký standart SHRE) SHRE (The merican Society of Heating, Refrigerating and ir-conditioning Engineers) merické sdru ení in enýr vytáp ní, chlazení a úprav vzduchu. Jak v R tak i v Spojených státech amerických jsou pou ívané normy pro výpo ty vlhkého vzduchu velmi podobné. Proto ve keré vzorce pro výpo et stav i zm n vzduchu se li í pouze velice málo a to v t inou hodnotami konstant. Je zde z ejmé, e je to zp sobeno jinými podmínkami m ení, za kterých byly konstanty stanoveny. Li í se také samoz ejm ozna ením n kterých veli in. Tabulka 1. Porovnání veli in pro výpo et vlhkého vzduchu podle standart R a standart SHRE Hodnota Ozna ení R US 1 M rná tepelná kapacita c [J/kg.K] suchého vzduchu 2 M rná tepelná kapacita vodní c v [J/kg.K] páry 3 Výparné teplo vody I w [J/kg.K]

7 Proto se také následn li í vztah pro výpo et entalpie h = c t + X (Iw + c v t ) (5) h R US 3 3 = 1010 t + X ( t ) h = 1006 t + X ( t ) 2.8 Statika su ení Statika su ení zahrnuje materiálové bilance su eného materiálu a su ícího média a tepelné bilance.. Q. M ; X 0 ; h 0. M S ; X S0 ; h S0 Vzduch Su ený materiál. W. M ; X 1 ; h 1. M S ; X S1 ; h S1 Látková bilance (bilance vlhkosti): Obr. 4. Bilance su árny M & X + M& X = M& X + M& X (6) O S SO 1 S S1 Hmotový pr tok (mno ství odvedené vlhkosti): Energetická bilance: W& = M& (X X ) = M& (X X ) (7) 1 O S SO Q& = M& (h h ) + M& (h h ) (8) 1 O S S1 S0 S1 2.9 Kinetika su ení V su ení jde o sou asné sdílení hmoty a tepla, a proto existuje hnací síla hmotová a teplotní. Teplotní hnací síla v materiálu je reprezentovaná gradientem teploty podle Fourierova zákona. Hustota tepelného toku v materiálu: q& = t, kde t t t t = + + (9) x y z

8 Hmotová hnací síla v materiálu závisí na chemickém potenciálu su eného p edm tu a je reprezentovaná gradientem koncentrace podle Fickova zákona v ustáleném d ji. Hustota hmotového toku: m& = D c, kde c c c c = + + (10) x y z Hustoty tepelných a hmotových tok mezi materiálem a prost edím se vypo ítají následovn : q& = α t, (11) m& = β ρ = β p ρ p (12) Sou initelé p estupu hmoty a tepla závisí na rychlosti proud ní, charakteristických rozm rech a termofyzikálních vlastnostech materiálu a vzduchu. Ur ujeme je z vhodných kriteriálných korelací pro Nusseltovo a Sherwoodovo kriteria. a1 b1 αl Nu = C1 Re Pr, Nu =, λ a2 b2 β L Sh = C2 Re Sc, Sh =, D ν Pr = a (13) ν Sc = D (14) Teplotní a hmotová hnací síly ovliv ují pr b h su ení, jak je vid t na obrázcích obr. 5. a obr. 6., kde jspo uvedeny typické su icí k ivky, t.zn. závislost m rné vlhkosti na dob su ení a závislost teploty materiálu na dob su ení. P i analýze k ivek su ení m eme rozli it t i hlavních oblasti: Úsek -B oh ev na odpa ovací teplotu. Tato fáze su eni probíhá rychle a v porovnání s celkovou délkou su ení tento úsek asto splývá s úsekem B-C nebo se zanedbává. Úsek B-C konstantní rychlost su ení. V této ásti su ení z povrchu su eného materiálu se odpa uje tzv. volná voda. Fyzikáln se tento p ípad podobá odpa ování vody z volné hladiny, proto e slabá vrstva vody je neustále dopl ována vodou z materiálu a p ísun je tak velký, jako je úbytek odpa ené vody. Délka této ásti závisí na porovitosti materiálu, vlhkosti a velikosti ástic a na parametrech su icího vzduchu. Pro p ípad dvojice voda-vzduch se teplota povrchu materiálu rovná teplot vlhkého teplom ru, za p edpokladu, e teplo bude látce p edáváno pouze proud ním. V praxi nebývá tato podmínka v dy spln na, proto e se teplo p edává asto navíc i sáláním a vedením. Zvy ování rychlosti su ení v tomto úseku je tedy mo né zvy ováním rozdílu parciálních tlak, vy í teplotou a rychlostí vzduchu a jeho ni í relativní vlhkostí. Tento úsek konstantní rychlosti su ení trvá a do bodu C, nazývaného kritický bod. Úsek C-D klesající rychlost su ení. V této ásti probíhá odpa ování vázané vody.

9 Obr. 5. Su icí k ivka závislosti m rné vlhkosti na dob su ení Obr. 6. Su icí k ivka závislosti teploty materiálu na dob su ení. Nem e-li být k povrchu materiálu p ivád no z vnit ních vrstev tolik vlhkosti, kolik se jí za stávajících podmínek odpa í, rychlost su ení se zpomaluje. V tomto úseku je intenzita rychlosti su ení ur ována více rozd lením vlhkosti v materiálu a její difuzí materiálem, ne vn j ími podmínkami su ení (parametry su ícího vzduchu, geometrický tvar t lesa). Pro efektivn j í pr b h su ení je výhodné kritický bod posunout ve sm ru zmen ující se vlhkosti. Toho lze docílit p edev ím zlep ením rovnom rnosti su ení, které zabrání vytvo ení p eschlé povrchové k ry. Vzhledem ke slo itosti d j v tomto úseku není k dispozici praktická a pou itelná metoda po etního stanovení doby su ení v tomto úseku. Ze su ící k ivky se ur uje rychlost su ení pro libovolný asový úsek. Rychlost su ení se definuje jako tangens úhlu sklonu te ny, provedené v daném bod na k ivce su ení, který odpovídá ur ité vlhkosti materiálu.

10 dx S u = tgγ = (15) dτ Maximální rychlost p i konstantní rychlosti su ení se stanoví podle rovnice (15) následovn : u max = tgγ max dx S = (16) dτ max Na konci su ení p i rovnová né vlhkosti je rychlost su ení Doba su ení Doba su ení je nejd le it j í parametr pro výpo et su árny. Z ekonomických d vod je snaha dobu su ení minimalizovat, ale nesmí to být na úkor kvality. Stanovení doby su ení empirickými vzorci je slo ité a musí být pou ito mnoho opravných koeficient pro r zné vlivy na pr b h su ení. Na dobu su ení mají hlavn vliv: Vlastnosti su ené látky struktura a sazba vlhkosti Tvar su ené látky rozm ry ástice, tlou ka su ené vrstvy Po áte ní, kone ná a kritická vlhkost Styk su ené látky se su ícím plynem Teplota, relativní vlhkost a rychlost su ícího plynu Volba su ícího plynu P ípustná teplota látky Nároky na rovnom rnost usu ení Volba konstrukce su árny 3. Faktory ovliv ující rychlost su ení Mezi hlavní faktory, které ovliv ují rychlost su ení je: teplota su ícího média, rychlost proud ní vzduchu, relativní vlhkost vzduchu, stupe (úrove ) rozm ln ní materiálu, tlou ka vrstvy. 3.1 Teplota su icího média Na za átku su ení zvý ení teploty su icího média vede k zrychlení procesu su ení. le sou asn se zvy ují tepelné ztráty, které jsou nejvýznamn j í na konci su ení, kdy má materiál nízkou vlhkost. Maximální p ípustné teploty závisí na druhu materiálu a na zp sobu su ení. P i su ení materiálu v pevné vrstv je spodní vrstva su eného materiálu v kontaktu s su icím médiem ( inidlem) a s podkladní sí kou, které jsou zah áté do maximální teploty. To vede k místním p eh átím (maximální teplota by nem la být vy í ne C). P i su ení ve fluidní vrstv probíhá kontinuální pohyb (posun) a míchání materiálu, k místnímu p eh átí nedochází a maximální p ípustné teploty su icího média a materiálu mohou být zvý eny (maximální teplota m e dosáhnout od 140 do 180ºC). B hem su ení rozpra ováním je teplota su ení dána vzájemným sm rem pohybu su icího média a materiálu. P i po áte ním období su ení intenzivn ji probihá p i souproudu/p i paralelním proud ní (pohyb su icího materiálu a su icího média jsou sm rovány ve stejném sm ru). Na konci su ení intenzivn ji su ení probíhá p i protiproudu (pohyb su icího materiálu

11 a su icího média jsou sm rovány v opa ném sm ru). Teplota su icího materiálu na konci procesu su ení p i souproudu se blí í k teplot odpadního vzduchu, a p i protiproudu - k teplot p ivád ného (vstupujícího) vzduchu. Proto kone ná teplota materiálu je mnohem vy í p i protiproudu a m e být vy í ne je p ípustná. by k tomu nedocházelo, pro su ení termolabilních materiál je nezbytný souproud pohybu (paralelní pohyb) vzduchu a su icího materiálu. P i paralelním proud ní vzduchu na su ení se pou ívá vzduch s teplotou od 180 do 200 C, zatímco p i protiproudém proud ní by tato teplota nem la p ekro it 140 C. Úsporn j ím se jeví paralelní pohyb vzduchu a su icího materiálu. 3.2 Rychlost proud ní vzduchu Vliv tohoto faktoru na rychlost su ení se projevuje pouze na úseku konstantní rychlosti (p i konstantní teplot a relativní vlhkosti). ím vy í je rychlost pr toku vzduchu, tím vy í je rychlost su ení. Tento efekt je patrný do rychlosti vzduchu 5 m/sec. Dal í zvý ení rychlosti proud ní vzduchu je omezeno tím, e proud vzduchu odtrhává od su icího povrchu malé kousky su icího materiálu. Tato vlastnost pr toku vzduchu se pou ívá pro su ení ve fluidní vrstv, kdy rychlost proud ní vzduchu je 5-15 m/sec. Na konci su ení rychlost proud ní vzduchu neovliv uje podstatn na rychlost su ení. V tomto úseku rychlost nemá být v t í ne 1 m/sec. 3.3 Relativní vlhkost vzduchu P i konstantní teplot a rychlosti proud ní vzduchu je rychlost su ení v první fázi (v prvním úseku su ení) nep ímo úm rná nár stu relativní vlhkosti vzduchu. Poté tato závislost se sni uje a zvy uje se znovu v kone né fázi su ení. V n m je závislost procesu su ení na relativní vlhkosti ur ena hodnotou rovnová né vlhkosti, která odpovídá zbytkové vlhkosti su icího materiálu. 3.4 Stupe rozm ln ní materiálu Rozm ln ní materiálu podstatn zkracuje dobu su ení. Tento faktor se pou ívá ve rozpra ovacích su árnách, kde se dob e rozm ln ný materiál usu í b hem n kolika sekund. 3.5 Tlou ka vrstvy nebo m rné zatí ení Tento faktor má vliv na rychlost su ení tímto zp sobem: zvý ení tlou ky vrstvy sni uje rychlost su ení, hlavn na první etap. V pr b hu su ení se zmen uje tlou ka vrstvy, a rychlost su ení se zvy uje. To umo uje instalovat na pásových su árnách ni í rychlosti pohybu dolních pás (12 cm/min) ve srovnání s horními (20 cm/min). Pro rovnom rné su ení by zatí ení materiálu na pásu m lo být rovnom rné. V pásových su árnách je to zaji t no p ítomností speciálního za ízení (obrace, kyp i /tedder). M rné zatí ení ovliv uje výkonnost su icího za ízení. S rostoucí tlou kou vrstvy se výkon zvy uje, ale jen do ur ité míry m rného zatí ení materiálem, poté to vede k poklesu produktivity su icích za ízení. Krom toho zvý ení tlou ky vrstvy je spojeno s nár stem spot eby elektrické energie pro ventilátor, podávací vzduch na su ení. Proto se tlou ka vrstvy ur uje individuáln pro ka dý su icí materiál v závislosti na zp sobu su ení. Nap íklad pro ovocné a zeleninové suroviny, v su árnách s pevnou vrstvou optimální m rné zatí ení je 6,5-18,5 kg/m 2, ve fluidní vrstv kg/m Zp soby su ení rostlinných materiál Materiál lze su it p irozeným nebo um lým zp sobem. P irozené su ení je nejstar í zp sob odstra ování vlhkosti ze hmoty. Voda se na povrchu materiálu odpa uje a pára difunduje do okolního vzduchu. Nároky na energii nejsou prakticky

12 ádné. v ak p i pr myslové výrob se projeví jeho nevýhoda malá rychlost su ení. Tato je p í inou pot eby velkých prostor a ploch, které zvy ují nejen investi ní náklady, ale i náklady na dopravu a manipulaci. Z tohoto pohledu je výhodnost p irozeného su ení sporná. Proto se stále více pou ívá pro r zné druhy materiál um lého su ení v su árnách. Su árny jsou aparáty, v nich se p ívodem tepla odstra uje z materiálu vlhkost vypa ováním. Su árny lze klasifikovat dle r zných kritérií: 1. Podle re imu provozu: Kontinuální Diskontinuální 2. Podle provozního tlaku su icího prost edí: tmosférické Vakuové P etlakové 3. Podle zp sobu p ívodu tepla (chladu): Konvektivní tepelná energie se p ená í pomocí konvekce Kontaktní (konduktivný) tepelná energie se p ená í pomocí tepelné vodivosti Radia ní tepelná energie se p ená í pomocí radiace Vysokofrekven ní tepelná energie se transformuje z elektrické energie uvnit su eného materiálu kustické (ultrazvukové) tepelná energie vzniká v d sledku ultrazvukového kmitání Kombinované p enos tepla probíhá pomocí kombinace n kterých vý e uvedených metod 4. Podle druhu su icího média existují aparáty, v kterých se pou ivají: Vzduch Spaliny P eh átou páru Inertní plyny 5. Podle cirkulace su icího média: S p irozenou cirkulací S nucenou cirkulací 6. Podle po tu pou ití su ícího vzduchu Su árny bez recirkulace su ícího vzduchu Su árny s recirkulací su ícího vzduchu 7. Podle sm ru pohybu su icího média a su icího materiálu: Polopohyblivé se pohybuje pouze su ený materiál nebo pouze su icí médium. Souproudové sm r pohybu su eného materiálu a su icího média je stejný. Protiproudové sm ry pohybu su eného materiálu a su icího média jsou opa né. K í oproudové sm r pohybu su eného materiálu je kolmý na sm r su icího média. 8. Podle zp sobu oh evu su icího média: S oh evem sluncem S oh evem elekt inou S oh evem parou S oh evem spalovaným plynem

13 S oh evem spalovaným pevným i kapalným palivem 9. Podle konstrukce: Komorové Tunelové achtové Pásové Bubnové Válcové a jiné. 10. Podle druhu su icího materiálu: Pro tuhé materiály Pro tekuté materiály Pro pastovité materiály Volba zp sobu su ení závisí na biochemických a strukturáln mechanických vlastnostech materiál, na jejich stavu b hem dehydratace (celé plody, nakrájené na kousky, tekuté produkty), stejn tak jako na vlastnostech finálního výrobku a na efektivit procesu. 5. Konvektivní su ení Konvektivní su ení výrobk je jednou z nejb n j ích metod su ení. V pr myslovém m ítku se realizuje su ení ovoce, zeleniny, masa, ryb a dal ích produkt. K p enosu tepla p i konvek ním su ení produktu dochází pomocí oh átého su ícího média. Toto je obvykle vzduch nebo p eh áté páry. Také m e být pou it inertní plyn, spaliny nebo jiné nosi e tepla. Teplota su ícího média musí být vy í jak teplota su eného produktu. Tepelná energie je p evedena do su eného materiálu, z n j se odpa uje voda a vodní páry odvádí su ící médium. P i konvektivním su ení rozli ujeme: - Konvek ní su ení ve vrstv. Nap íklad su árny tunelové, komorové, achtové, pásové, turbinové a válcové; - Konvek ní su ení s ofukem tryskami, - Konvek ní su ení v áste né i plném vznosu. Pou ívají se su árny bubnové, fluidní, pneumatické (proudové), vírové, rozpra ovací. V echny konvek ní su árny mají stejné principy práce a pom rn jednoduchý design a relativn nízkou cenu. Specifická spot eba energie t chto za ízení je pom rn vysoká. P i su ení jsou tepelné ztráty v d sledku oh evu samotné su árny a ztrát do okolního prost edí. v ak jejich energetická efektivnost bude záviset na cen pou itého zdroje energie. 5.1 N kolika pásové konvektivní su árny N kolika pásová su árna je spojení obvykle 4 nebo 5 pás umíst ných nad sebou (Obr. 7). Su ený materiál p epadává na druhý pás, tím se promíchává a zkracuje se doba su ení. Pásy jsou v t inou z drát ného pletiva, pro potraviná ské produkty obvykle nerezového, ev. z plast.

14 Zvlá tností takových su áren je to, e výrobek se su í v tlusté vrstv s vý kou 75 a 150 mm. Obr. 7. N kolikapásová su árna Výhody: Nevýhody: Tato su árna má kontinuální provoz. Mo nost regulace rychlosti ka dého pásu Mo nost regulace teplotního re imu nad ka dým pásem Vhodná pro velké výkony Pou itelná i pro materiál s malým obsahem su iny Snadná konstrukce su árny Záv sová su árna d lí materiál na granulát Vysoké provozní náklady Velká tlaková ztráta 5.2 Fluidní su árny V potraviná ském pr myslu tento zp sob pou ívají na su ení obilí a kousk ovoce i zeleniny nakrájených na kostky s velikostmi stran od 8 do 20 mm. Su ící vzduch prochází zespodu vrstvou nasypaného materiálu a to takovou rychlostí, aby su ený materiál byl ve vznosu, av ak neulétával, tzn. byl pod rychlostí úletu ástice. ástice su eného materiálu jsou v intenzivním styku se su ícím vzduchem, jsou ve vznosu a tím dochází ke zmen ení vzájemného t ení. Podobn jako u fluidního dopravního labu dochází k pohybu materiálu po podlo í i jen málo naklon ném (Obr. 8). Takto su ený materiál se proto chová jako tekutina. Pou ití vysokých teplot p i su ení vede k intenzifikaci odstran ní zbytkové vlhkosti s d vodu jejího transportu uvnit materiálu ve form páry, t.zn. odpa ováním vlhkosti uvnit ástice. Proto lze produkty vysou et do velmi nizké zbytkové vlhkosti b hem krátkého asového období. Vysoký stupe vysu ení vede ke zvý ení doby skladování hotového výrobku. ástice materiálu b hem procesu su ení p i vysokých teplotách si uchovají sv j p vodní tvar a objem. Su ené ástice mají porézní strukturu a dobré rehydrata ní vlastnosti.

15 Obr. 8. Fluidní su árna Výhody: Nevýhody Jednoduchost Dobrý specifický výkon Mo nost su it materiály s r znými obsahy vlhkosti Vysou ený produkt má dobré vlastnosti Vy í tlakové ztráty 5.3 Rozpra ovací su árny Rozpra ovací su árny se pou ívají v potraviná ském pr myslu na su ení mléka, vajec, ovocných áv, polévky a jiné. Lze toti su it jakékoliv tekuté látky a v t inu ka ovitých. Principem t chto su áren je rozd lit tekutinu v su ící komo e na jemné kapi ky. Tím se vytvo í extrémn velký sty ný povrch (plocha 1 kg roztoku je p ibli n 600 m 2 ) a doba su ení trvá sekundy. P i su ení vnit ní difúze nemá prakticky ádný vliv na rychlost su ení. S obrovské plochy rozptýlených ástic se odstra uje p edev ím povrchová vlhkost. To umo ní pou ít p i su ení teplo-citlivých výrobk zvý ené teploty su icího média (a do C). Kapalinu lze rozprá it t emi zp soby: Mechanicky pomocí tlakové dýzy, kapalina vstupuje axiáln nebo tangenciáln (obvykle pracují s ni ím tlakem kapaliny) Pneumaticky rozpra ování probíhá za pomoci dal ího média, dv základní dýzy (Obr. 9.) Odst ediv kapalina natéká na rozpra ovací kotou, který má vysoké otá ky (a i p es 350 ot./s ) (Obr. 10.) Výhodou rozpra ování tryskou je malá spot eba energie, tichý provoz, jednoduchá konstrukce. Nevýhodou je zaná ení výstupních otvor kv li malému pr ezu. P i zvy ení výkonu se zhor uje kvalita rozpra ování, proto v su árnách s velkým výkonem se instaluje více trysek. Rozpra ování kotou em je více roz í eno, proto e se rychle rotující kotou em (obvyklé otá ky min -1 ) lze rozpra ovat kapaliny s vysokým obsahem su iny (a 50% a vý e). Jeden kotou posta í pro jednu su árnu jakéhokoliv výkonu. K nevýhodam takového rozprá ení pat í vysoké náklady na za ízení, pot eba v t ího pr m ru su icí komory z d vodu irokého rozptylu kapi ek. Pohyb rozpra ovaných ástic a vzduchu v komo e m e být souproudový nebo protiproudový. Souproudový pohyb se pou ívá pro su ení teplo-citlivých výrobk, co umo uje pou ití vy ích teplot bez nebezpe í p eh átí výrobku.

16 Obr. 9. Hlavice pro pneumatické rozpra ování Obr.10. Kotou e pro odst edivé rozpra ování Výhody: Nevýhody: Vhodné pro termolabilní látky, proto e su ení probíhá ve vte inách Velmi dobrá regulace chodu Jednoduchá konstrukce komory Jediná su árna, kde lze p ímo z roztoku získat finální produkt Drahé i t ní odtahu plynu ze su árny (cyklony, filtry) Pro ka ovité látky problematická doprava a rozpra ování Vysoké investi ní náklady pro malé výkony 6. Negativní zm ny v rostlinných materiálech p i su ení P i su ení v rostlinných materiálech dochází k významným zm nám. Hlavní negativní zm ny jsou: smr ování, zm na barvy, zatvrdnutí, sní ení rehydratacioní vlastností, ztráta t kavých (vonných) látek, ztráta vitamin. 6.1 Smr ování materiálu Objemové smr ování rostlinných potravin má lineární závislost na obsahu vlhkosti v materiálu. Objem su ené ástice v libovolné dob su ení: V w = V + S 1 kv (17) 100 k v je koeficient objemového smr t ní (pro brambory nakrájené na kostky mm , pro kuku ici - 0,25, pro hrá ek - 0,15).

17 P i rovnom rném su ení a malém poklesu vlhkosti v materiálu se p i smr ování zachovává tvar ástic. Nerovnom rné su ení vede k naru ení tvaru ástic. P i velkém poklesu vlhkosti v materiálu vznikají praskliny. 6.2 Zm na barvy Nevratné ne ádoucí barevné zm ny, ke kterým dochází v pr b hu su ení, se nazývají: p eh átí, zhn dnutí a popálení. V d sledku p eh átí vzniká malá zm na v barv výrobku ve srovnání s výchozí surovinou. Tento stupe p eh ívání nemá vliv na chu a aroma. Zhn dnutím je zp sobeno reakcemi p i kterých z aminokyselin a redukujících cukr vznikají melanoidiny, karamelizací v d sledku tepelného rozkladu cukr, a také enzymatickými reakcemi spojenými s oxidací polyfenolických slou enin. Nejb n j í zp sob omezení reakcí zhn dnutí je sulfitace (sí ení SO 2 ) rostlinných materiál p ed su ením. Také se pou ívá i zpracování produkt p ed su ením v roztoku askorbové nebo citrónové kyselin o koncentraci 0,1%. Popálení - výsledek siln j ího p eh átí, ovliv uje chu a reduk ní vlastnosti, nutri ní hodnotu vysou ených produkt. Kritickou teplotu popálení lze zvý it o C, pokud se p ed su ením výrobek podrobí sulfitaci. Zm nu barvy výrobku ovliv uje nejen teplota, ale i doba oh evu. Barva produkt p i su ení se m e také zm nit kv li oxida ní reakcí, zejména pokud se i t né suroviny uchovávaly dlouho. 6.3 Zatvrdnutí P i su ení rostlinného materiálu lze pozorovat takový jev, e v ur ité fázi proces su ení prakticky zastaví. To je zp sobeno tím, e na povrchu výrobku se tvo í tvrdá k ra, prakticky nepropustná pro vlhkost. Kv li ní se vlhkost nem e odpa it z povrchu výrobku, ale produkt z stává uvnit mokrým. by k tomu nedocházelo, ovoce, su ené celé nebo ve velkých kusech, se v po áte ním období su ení p i vysoké relativní vlhkosti su í p i pom rn nízké teplot su icího média. Je-li potraviny jsou nakrájené na malé kusy, povrchového tvrdnutí nenastane. 6.4 Sní ení rehydrata ní schopnosti Su ené výrobky se obvykle pou ívají v rehydratovaném (vlhkém) stavu. Doba trvání a stupe rehydratace výrobk, vysou ených tradi ními metodami, se asto ukazují jako nedostate né. Nejlep í rehydrata ní vlastnosti mají produkty, vysou ené pomocí sublima ního su ení. Sní ení rehydrata ní schopnosti je zp sobeno nevratným p eh átím výrobku. To m e také probíhat bez jakýchkoliv viditelných zm n v barv (zhn dnutí). To je zp sobeno r znými zm nami hlavních slo ek su eného materiálu v d sledku odstra ování fyzikáln chemické vody. Mezi nejvýznamn j í zm ny pat í: tuhnutí amylopektinu, pektinu a bílkovin. V první ad, koloidní nezvratnost su ených produkt zp sobuje tepelná koagulace bílkovin. 6.5 Ztráta t kavých (vonných) látek P i su ení odpa ovaná vlhkost sebou odná í t kavé slo ky z výrobk. V d sledku toho, su ené produkty ztrácejí chu a aroma. Obsah t kavých látek odvád ných s vlhkostí závisí na zm n teploty výrobku b hem su ení, stejn jako na tlaku páry t kavých slo ek p i dané teplot. D le itá je také rozpustnost t kavých látek ve vod a jiných látkách vysou eného materiálu. 6.6 Ztráta vitamin Vitamíny jsou velmi labilní a citlivé na zm ny teploty a na vliv kyslíku. Zvlá t citlivý je vitamín C, který je t k tomu se znehodnocuje p sobením sv tla.

18 Na úrove ztráty vitamín má velký vliv stupe rozm ln ní materiálu a také uchování i t né suroviny ve vod nebo na vzduchu p i p íprav rostlinného materiálu k su ení. 7. Záv r Su ení je významným a asto lep ím zp sobem prodlou ení trvanlivosti rostlinných produkt, které jsou d le itým zdrojem vitamin a minerálních látek a v d sledku obsahu velkého mno ství vody podléhají rychlé zkáze. Krom toho je v t ina rostlinných materiál citlivých na zp sob zpracování. Proto asto je t eba ur it re im su ení pro ka dý produkt individuáln. Su ením se výrazn sni ují náklady na balení, p epravu a skladování. Na základ uvedeného, je vývoj su icích za ízení velmi slibným sm rem. Cílem mojí dal í práce bude prozkoumat problematiku procesu su ení, hledat mo nosti zrychlení procesu su ení potraviná ských výrobk takovým zp sobem, aby se maximáln uchovávala základní kvalita a tá uchovat nebo zlep it jejích chu ové vlastnosti. Plánuji provést oscila ní re im su ení se st ídavým dodáváním studeného a horkého vzduchu a také pou ít zp sob periodického proh átí produktu infra erveným ozá ením. Náplní mojí dal í práce bude také analýza existujících vztah ur ování rychlosti a doby su ení na základ výsledk reálných experiment su ení následujících produkt : meru ky, vestky, králí ek, brambory, mrkev apod. Mo nost maximáln p esn ur it teoretickou dobu su ení, bez pot eby provedení experiment a vyhledávaní nes íslného mno ství údaj z tabulek atp., co pot ebuje hodn asu, velmi závisí na osobních zku enostech a je zejména d le ité p i projektování su áren irokého pou ití. Navrhuji sestrojit kombinovanou konvektivn -radia ní su árnu na základ laboratorní konvektivní su árny. Konvektivn -radia ní su ení spo ívá v kombinaci oh ívání infra ervenými paprsky s dodáním vzduchu. Su icí p edm t je vyh ívaný zevnit (ve hloubce kolem 6-7 mm od povrchu) více rovnom rn a intenzivn ji, ne je p i konvektivním zp sobu. Doba su ení se zkracuje a zmen ují se náklady na energie. Výrobek vychází kvalitn j í. S cílem v t ího zdokonalení su árny a probíhajících v ní proces su ení, navrhuji je t instalovat absorp ní filtr nebo filtry, aby se sní ila vlhkost su icího média a tím se zrychlil proces su ení. Seznam symbol a sou initel teplotní vodivosti [m 2 s -1 ] C konstanta [-] c m rná tepelná kapacita [J.kg -1 K -1 ] c m rná tepelná kapacita suchého vzduchu [J.kg -1 K -1 ] c v m rná tepelná kapacita vodní páry [J.kg -1 K -1 ] D difuzivita (sou initel objemové molekulární difuze) [m 2 s -1 ] h m rná entalpie [J.kg -1 ] h m rná entalpie vlhkého vzduchu [J.kg -1 ] h S m rná entalpie su eného materiálu [J.kg -1 ] I w výparné teplo vody [J.kg -1 K -1 ]

19 k v koeficient objemového smr t ní [-] L charakteristický rozm r [m] M molekulová hmotnost suchého vzduchu [-] M W molekulová hmotnost vody [-] M & hmotnostní pr tok [kg.s -1 ] M hmotnostní pr tok vzduchu [kg.s -1 ] M S hmotnostní pr tok su eného materiálu [kg.s -1 ] m hmotnost vody [kg] m s hmotnost su iny [kg] m v hmotnost vlhkého materiálu [kg] m& hustota hmotnostního toku [kg.m -2.s -1 ] Nu Nusseltovo íslo [-] p parciální tlak suchého vzduchu [Pa] p v parciální tlak vodní páry [Pa] p v // tenze sytých pár [Pa] Pr Prandtlovo íslo [-] Q& tepelný výkon [W] q& hustota tepelného toku [W.m -2 ] Re Reynoldsovo íslo [-] Sc Schmidtovo íslo [-] Sh Sherwoodovo íslo [-] T teplota vzduchu [K] T dp teplota rosného bodu [K] T wb teplota mokrého teplom ru [K] t teplota [ 0 C] t teplota vzduchu [ 0 C] u rychlost su ení [s -1 ] u max maximální rychlost su ení [s -1 ] V objem [sm 3 ]

20 V S objem absolutn suchého materiál [sm 3 ] w rovnová ná vlhkost [kg.kg -1 ] W& hmotnostní pr tok odpa ené vody [kg.s -1 ] X m rná vlhkost vzduchu [kg.kg -1 ] X S m rná vlhkost su eného materiálu [kg.kg -1 ] sou initel p enosu tepla [W.m -2.K -1 ] sou initel p enosu hmoty [m.s -1 ] modifikovaný sou initel p enosu hmoty [m.s -1 ] γ úhel [rad] ϕ relativní vlhkost vzduchu [%] sou initel tepelné vodivosti [W.m -1.K -1 ] kinematická viskosita [m 2 s -1 ] hustota [kg m -3 ] v hmotnostní koncentrace vodní páry [kg m -3 ] v " maximální mo ná koncentrace páry v nasyceném vzduchu [kg m -3 ] τ doba su ení [min] ω rel.vlhkost su eného materiálu (hmotnostní podíl vody) [%] Seznam pou ité literatury 1. Kasatkin,. G.: Osnovnyje processy i apparaty chimi eskoj technologii, Moskva: Chimija, 1971, 783 s. 2. Kisjeljova, T.F.: Tjehnologija su ki, KTIPP: Kjemjerovo, 2007, 117 s. 3. Kodana vili, V., Balan ivadze, G.: Základní procesy chemické technologie, Tbilisi: Kowalski, S.: Thermomechanics of drying proceses, Berlin : Springer, 2003, 365s.: 176 il. 5. Lykov,.V.: Tjeorija su ki, Moskva: Energia, 1968, 472 s. s ill. 6. Mujumdar,. S.: Handbook of industrial drying I, New York : Dekker, 1995, 742 s. 7. P ni ka, M.: plikace su árny v potraviná ském pr myslu, Diplomová práce, VUT: Praha 2008, 80 s. 8. Rieger, F., esták, J.: P enos hybnosti, tepla a hmoty, Praha: Vydavatelství VUT, 1993, 299 s. 9. Sa in, B. S.: Osnovy techniki su ki, Moskva: Chimija, 1984, 320 s.: ill. 10. esták, J., itný, R.: Tepelné pochody II., Praha: Vydavatelství VUT, 1997, 165 s. 11. Tavartkqiladze, I.: Matematické modelování chemických technologických proces, Tbilisi: Zvoní ek, J.: Su árny, Praha: eské vysoké u ení technické, 1966 dotisk, 102 s.: il.