PRocesy a zařízení potravinářských a biotechnologických výrob

Transkript

1 PRocesy a zařízení potravinářských a biotechnologických výrob Pavel Kadlec Karel Melzoch Michal Voldřich a kolektiv KEY Publishing s.r.o. Ostrava

2 Zdeněk Bubník, Helena Čížková, Jaroslav Dobiáš, Vladimír Filip, Milan Houška, Milan Jahoda, Karel Kadlec, Pavel Kadlec, Václav Koza, Karel Melzoch, Petr Pipek, Josef Příhoda, Mojmír Rychtera, Rudolf Ševčík, Jiří Štětina, Michal Voldřich, Lenka Votavová 2012 ISBN

3 Autoři jednotlivých kapitol knihy prof. Ing. Zdeněk Bubník, CSc. (kapitoly 20, 24, 25) Ing. Helena Čížková, Ph.D. (kapitola 11) doc. Ing. Jaroslav Dobiáš, CSc. (kapitoly 13, 40, 41) prof. Ing. Vladimír Filip, CSc. (kapitoly 19, 20, 23, 24, 33) Ing. Milan Houška, CSc. (kapitoly 9, 29) doc. Dr. Ing. Milan Jahoda (kapitoly 1, 2, 3, 4, 5, 17, 42) doc. Ing. Karel Kadlec, CSc. (kapitola 6) prof. Ing. Pavel Kadlec, DrSc. (kapitola 18, editor) doc. Ing. Václav Koza, CSc. (kapitoly 10, 30, 31, 32, 33, 34, 37, 38) prof. Ing. Karel Melzoch, CSc. (kapitoly 21, 22, editor) prof. Ing. Petr Pipek, CSc. (kapitola 38) doc. Ing. Josef Příhoda, CSc. (kapitoly 9, 14, 15, 35, 36) prof. Ing. Mojmír Rychtera, CSc. (kapitoly 26, 27) Ing. Rudolf Ševčík, Ph.D. (kapitola 30, 31, 38, 39) doc. Ing. Jiří Štětina, CSc. (kapitoly 7, 16, 18, 31, 32) prof. Ing. Michal Voldřich, CSc. (kapitoly 8, 11, 12, 24, 24.5, 28, 29, 30, 31, 34, 37, 38, 39, 43, editor) Ing. Lenka Votavová, Ph.D. (kapitoly 8, 28, 31, 38, 39) 3

4 kapitola Úvod Cílem každé průmyslové i dílenské výroby je vyrobit za minimálních investičních a provozních nákladů široký sortiment kvalitních a dobře prodejných výrobků, vyprodukovat maximální zisk a minimalizovat negativní vliv na životní prostředí. Při výrobě potravin je prioritní zajistit, vedle výše uvedených obecných zásad, zdravotní nezávadnost potravin, s prodlouženou trvanlivostí a s minimálními změnami senzorických a nutričních vlastností. Nabídka vyráběného sortimentu potravin se musí vyznačovat atraktivní chutí, barvou, vůní, texturou i lákavým a funkčním obalem. Pro řadu potravin je důležité prodloužit období, kdy potraviny zůstávají zdravé, nezávadné a trvanlivé, pomocí konzervačních technik, při nichž dochází k inhibici nežádoucích mikrobiologických a biochemických změn a tím se získává čas pro distribuci potravin od výrobce ke spotřebiteli a pro jejich skladování doma před vlastní konzumací. Ke splnění těchto náročných požadavků jsou klíčové potravinářské zpracovatelské procesy, zahrnující kombinaci postupů, které vedou k dosažení žádaných parametrů zpracovávaných surovin. Tyto procesy se skládají z jednotkových operací, které mají svůj specifický, identifikovatelný a očekávaný efekt na potraviny. K uspořádání textu této knihy byl proto zvolen způsob, který není obvyklý v učebnicích chemického inženýrství, ale lépe vyhovuje právě popisu a výkladu procesů typických pro potravinářství a biotechnologické výroby. Text knihy vychází z původních skript Procesy potravinářských a biotechnologických výrob, vydaných na VŠCHT v Praze v roce 2003 a je rozdělen na 6 částí, kapitoly jsou v celém textu číslovány průběžně. Část I popisuje základní principy vycházející z chemického inženýrství, včetně kapitoly o měření základních technologických veličin, část II se ve stručnosti zabývá vlastnostmi potravin, část III 5

5 popisuje operace probíhající při teplotě okolí a při nichž dochází k minimálnímu ohřevu potravin, část IV zahrnuje procesy s tepelným ošetřením potravin, kde zahřátí vede k prodloužení trvanlivosti potravin nebo k úpravě pokrmů, část V popisuje procesy spojené s odebráním tepla, při nichž se potraviny chladí za účelem prodloužení trvanlivosti nebo jejichž cílem je dosažení minimálních změn nutričních a senzorických vlastností a závěrečná část VI pak zahrnuje operace, které jsou sice integrální součástí potravinářských procesů, ale vzhledem k hlavním zpracovatelským procesům jsou jen doplňkové. Ve většině kapitol je nejprve popsán teoretický základ jednotkové operace. Jsou uvedeny potřebné vztahy pro výpočet provozních parametrů, navazující na základní vztahy známé z kurzů chemického a potravinářského inženýrství. U některých operací, kde je teoretický popis příliš složitý a obtížně v praxi použitelný, je vysvětlen princip operace jen slovně. Hlavní důraz je kladen na sledování vlivu jednotlivých procesů na vlastnosti a kvalitu potravin (složení, barvu, aroma, texturu, senzorické vlastnosti produktu, nutriční hodnotu aj.). Dále jsou uvedeny v jednotlivých kapitolách funkční principy použitých strojů a zařízení, jejich začlenění do výrobních linek a aplikace v dílčích odvětvích výroby a zpracování potravin. Ve většině kapitol jsou zařazeny vzorové příklady a zjednodušené výpočty (např. v ustálených stavech apod.), které jistě budou užitečné a inspirující pro potenciální uživatele. Všechny výrobní postupy jsou hodnoceny především podle vlivu na zlepšení a udržení kvality potravin, včetně senzorických a nutričních vlastností, dále podle energetické náročnosti a vlivu na životní prostředí. Cílem knihy je ukázat, jak jsou důležité znalosti vlastností potravin pro řízení a kontrolu procesů v provozních podmínkách i pro návrh a funkci strojních zařízení tak, aby se dosáhlo požadované kvality potravin s prodlouženou trvanlivostí a s minimálními změnami senzorických a nutričních vlastností. Kniha logicky navazuje na úspěšné vydání knižní publikace Kadlec P., Melzoch K., Voldřich M. a kolektiv (2009): Co byste měli vědět o výrobě potravin? Technologie potravin ( která byla členěna po dle technologií. Podobně jako předchozí titul, je i tato kniha určena všem zájemcům o odborné znalosti související s inženýrskými procesy při výrobě potravin a měla by sloužit nejen jako učebnice pro studenty potravinářského a příbuzného zaměření všech stupňů, ale také jako zdroj základních informací pro odbornou veřejnost a pracovníky v potravinářství. Vzhledem k omezenému rozsahu stránek nemůže text jít do podrobností ani nemůže nahradit živé přednášky a podrobné cizojazyčné monografie. V české odborné literatuře takovýto souborný text dosud nebyl zpracován. Zájemcům o hlubší studium lze doporučit knižní literaturu, která je uvedena za každou kapitolou této knihy. Spoluautory knihy jsou pedagogové technologických ústavů Fakulty potravinářské a biochemické technologie VŠCHT v Praze a učitelé, kteří se podílejí na výuce procesních předmětů na fakultě. Všem spoluautorům patří dík za jejich práci, nemalý dík patří rovněž odborníkům z praxe, kteří se podíleli na recenzi textu. Kniha by samozřejmě nemohla být vydána nebýt finanční podpory sponzorů z řady firem, které dodávají přístroje a zařízení do potravinářských a biotechnologických podniků a laboratoří, a dále z řady potravinářských podniků a dalších institucí. 6

6 Obsah Úvod...5 ČÁST 1. Základní principy Hmotnostní a energetické bilance (Milan Jahoda) Základní pojmy Hmotnostní bilance Energetická bilance Obecný postup při bilančních výpočtech Kontinuální a přetržité procesy (Milan Jahoda) Tok kapalin (Milan Jahoda) Sdílení tepla (Milan Jahoda) Sdílení tepla vedením Sdílení tepla prouděním Sdílení hmoty (Milan Jahoda) Měření technologických veličin (Karel Kadlec) Skladba měřicího přístroje Měření tlaku Měření teploty Měření hladiny Měření průtoku Měření složení ČÁST 2. Vlastnosti potravin Fyzikálně chemické základy disperzních potravinářských soustav (Jiří Štětina) Aktivita vody (Lenka Votavová, Michal Voldřich) Mechanické a reologické vlastnosti potravin (Josef Příhoda, Milan Houška) Mechanické vlastnosti a textura Základní teoretické úvahy o chování látek Reometrie Měření mechanických vlastností Měření konzistence tekutých potravin Aplikace reologických měření na některých uzančních přístrojích s empirickým vyhodnocením Tepelné vlastnosti (Václav Koza) Přibližný výpočet tepelných vlastností Měrná tepelná kapacita Tepelná vodivost (Jiří Štětina) Teplotní vodivost (tepelná difuzivita) Tání, tuhnutí, odpařování a příslušná skupenská tepla Vliv zpracování na senzorické a nutriční vlastnosti potravin (Helena Čížková, Michal Voldřich) Senzorické vlastnosti Nutriční vlastnosti

7 12 Správná hygienická praxe (Michal Voldřich) Obecné požadavky na prostory Design provozu a zařízení ČÁST 3. Procesy s minimálním tepelným zásahem Příprava surovin (Jaroslav Dobiáš) Čištění Třídění Odslupkování loupání Manipulace se surovinami Dezintegrace (Josef Příhoda) Teorie Účinnost dezintegrace a spotřeba energie Zařízení Prosévání (Josef Příhoda) Účinnost práce síta Sítová analýza se sadou sít Síta v potravinářském průmyslu Úprava potravinářských koloidních systémů (Jiří Štětina) Teorie Zařízení Aplikace Míchání (Milan Jahoda) Míchání pevných látek Míchání kapalin Separace podle měrných hmotností (Pavel Kadlec, Jiří Štětina) Usazování a odstřeďování Zařízení Aplikace Lisování (Vladimír Filip) Teorie Zařízení Aplikace procesu lisování v potravinářství Vliv procesu lisování na potraviny Filtrace (Zdeněk Bubník, Vladimír Filip) Teorie Hmotnostní bilance filtrace Filtry a filtrační zařízení používané v potravinářských technologiích Membránová separace (Karel Melzoch) Princip separace Membrány Charakteristika toků Zanášení membrán a jejich regenerace Membránové moduly Uspořádání membránového separačního procesu

8 21.7 Mikrofiltrace, ultrafiltrace, nanofiltrace a reverzní osmóza Elektrodialýza Pervaporace a permeace plynů Membránová destilace Dialýza Chromatografické separace a výměna iontů (Karel Melzoch) Účinnost separace v chromatografii Uspořádání preparativní chromatografické stanice Gelová permeační chromatografie Iontovýměnná chromatografie Rozdělovací chromatografie Afinitní chromatografie Adsorpce, odbarvování (Vladimír Filip) Teorie Zařízení a proces Aplikace procesu adsorpce v potravinářství Vliv procesu adsorpce na potraviny Extrakce (Zdeněk Bubník, Vladimír Filip, Michal Voldřich) Teorie Extrakční zařízení v potravinářském průmyslu Vliv procesu extrakce na potraviny Aplikace procesu extrakce Superkritická extrakce (Michal Voldřich) Krystalizace, nukleace, srážení a distribuce částic (Zdeněk Bubník) Teorie Rozdělení krystalizačních procesů Popis speciálních krystalizačních postupů Krystalizační zařízení kritéria volby Fermentační technologie (Mojmír Rychtera) Teorie Zařízení pro fermentační procesy Enzymové technologie (Mojmír Rychtera) Teoretické základy průmyslové výroby enzymů Způsoby aplikace enzymů v potravinářských procesech Reaktory s imobilizovanými enzymy a membránové reaktory Přehled významných aplikací enzymů v potravinářském průmyslu Ozařování, světelné pulzy, ultrazvuk (Michal Voldřich, Lenka Votavová) Ozařování Zpracování potravin světelnými pulzy Konzervace potravin ultrazvukem Procesy s využitím vysokého hydrostatického tlaku (Michal Voldřich, Milan Houška) Vliv tlaku na jednotlivé složky potravin a na reakce Zařízení Zhodnocení perspektiv a aplikace v průmyslu

9 ČÁST 4. Procesy s tepelným ošetřením potravin Blanšírování (Václav Koza, Michal Voldřich, Rudolf Ševčík) Princip a účel Zařízení pro blanšírování Pasterace a tepelná sterilace (Michal Voldřich, Václav Koza, Lenka Votavová, Jiří Štětina, Rudolf Ševčík) Konzervace potravin záhřevem Vliv záhřevu na mikroorganismy Kvantitativní popis termoinaktivace Výpočty ohřevu a chlazení Sterilační zařízení přehled Odpařování (Václav Koza, Jiří Štětina) Zapojení odparek Příklady konstrukce odparek Vliv odpařování na vlastnosti zahušťované potraviny Příklady aplikací odpařování Destilace (Václav Koza, Vladimír Filip) Destilace Deodorace, destilace s vodní parou Molekulární destilace Sušení (Václav Koza, Michal Voldřich) Sušení vzduchem Mechanismus sušení Fáze sušení Sušení hygroskopických potravin Sušení v kontaktních sušárnách Sublimační sušení lyofilizace Expanzní sušárny Přehled zařízení Extruze (Josef Příhoda) Teoretické základy extruze Konstrukční uspořádání extrudérů Pečení, restování a smažení (Josef Příhoda) Sdílení tepla při pečení, restování a smažení Proces pečení Konstrukční uspořádání zařízení na pečení, smažení a restování Mikrovlnný, dielektrický, infračervený a ohmický ohřev (Michal Voldřich, Václav Koza) Mikrovlnný a dielektrický ohřev Odporový ohřev Infračervený ohřev

10 ČÁST 5. Procesy s odebráním tepla Chlazení a uchovávání v chladu (Michal Voldřich, Lenka Votavová, Václav Koza, Rudolf Ševčík, Petr Pipek) Vliv nízké teploty na mikroorganismy Konzervace potravin uchováním v chladu Zařízení Chladírenské skladování Vliv chlazení na potraviny Zmrazování a mrazírenské skladování (Michal Voldřich, Lenka Votavová, Rudolf Ševčík) Teoretické základy zmrazování potravin Tvorba krystalů ledu Koncentrace rozpuštěných látek Změny objemu Postupy a zařízení pro zmrazování Změny probíhající v potravinách Rozmrazování Vymrazování zahušťování vymrazováním vody ČÁST 6. Doplňkové procesy Balení (Jaroslav Dobiáš) Propustnost obalových materiálů Migrace složek obalového materiálu do baleného produktu Plnění (Jaroslav Dobiáš) Plnění Uzavírání Garance neporušenosti Doprava materiálu (Milan Jahoda) Doprava pevných látek Doprava kapalin Doprava plynů Skladování v řízené atmosféře (Michal Voldřich) Rejstřík

11 kapitola 1 Hmotnostní a energetické bilance (Milan Jahoda) 1.1 Základní pojmy Hmotnostní a energetické bilance jsou základem při navrhování procesních aparátů, při kontrole, řízení a racionalizaci výroby a při dalších výpočtech. Bilancujeme pouze veličiny závislé na velikosti systému (extenzivní veličiny), mezi které patří např. hmotnost, látkové množství, energie, entalpie, hybnost, atd. Pro bilance musíme definovat prostorovou oblast označovanou jako bilancovaný systém. Tento systém je přesně ohraničený objekt např. výrobní aparát, část aparátu nebo celá výrobní linka. Podle propustnosti hranic rozlišujeme: ¾otevřený systém, který může se svým okolím vyměňovat hmotu a energii v průběhu časového období bilancování, ¾uzavřený systém, který nemůže se svým okolím vyměňovat hmotu v průběhu časového období bilancování, ale může vyměňovat energii, ¾izolovaný systém, který nemůže se svým okolím vyměňovat hmotu ani energii v průběhu časového období bilancování. Bilanční období je časový úsek, po který provádíme bilanci. Toto období může např. trvat rok, několik let, hodinu, sekundu nebo velmi krátké období dτ. 15

12 1 Základní principy Obecně můžeme bilanci vyjádřit vztahem: Rovnice [1.1] a [1.2] můžeme zjednodušeně vyjádřit vztahem: Vstup/výstup je množství bilancované veličiny, které během bilančního období vstoupí/vystoupí z/do okolí přes hranice do/z bilancovaného systému jedním nebo více proudy. Vstup i výstup může být spojitý (kontinuální) nebo nespojitý (diskontinuální). Spojitý vstup znamená stálý přísun bilancované veličiny např. potrubím. Pokud se množství dodávané nebo odebírané veličiny mění s časem, jedná se o neustálený proces. Proces je ustálený, jestliže je množství bilancované veličiny během bilančního období konstantní. Při nespojitém procesu je veličina dodávána nebo odebírána po dávkách nebo kusech. Nespojité procesy rozdělujeme na vsádkové a periodické. U vsádkových procesů do/z bilančního systému vstupuje/vystupuje jen jedna dávka během celého bilančního období. Pokud se dávky opakují ve stejných časových intervalech, jedná se o proces periodický. Nespojitý proces může být také obecně nespojitý jak s proměnným množstvím jednotlivých dávek veličiny, tak i proměnnými časovými intervaly mezi nimi. Zdroj je množství veličiny, které vznikne v bilancovaném systému během bilančního období a může mít kladnou, nulovou nebo zápornou hodnotu. Zdroj je např. vznik nebo zánik nějaké sloučeniny chemickými reakcemi. Akumulace představuje přírůstek bilancované veličiny v bilancovaném systému za bilanční období a může mít kladnou, nulovou nebo zápornou hodnotu. 16

13 1 Základní principy Akumulaci se zápornou hodnotou označujeme jako úbytek. Při nulové akumulaci je bilanční systém v ustáleném stavu. V dalším textu se zaměříme na bilance dvou veličin: hmotnosti a energie. 1.2 Hmotnostní bilance Hmotnostní bilance je vyjádřením zákona o zachování hmoty. Při hmotnostní bilanci bilancujeme buď hmotnost m (kg), nebo hmotnostní tok (kg/s). Bilancovat můžeme směsi složek (celková bilance) nebo jednotlivé složky (složková bilance), které se v bilančním systému vyskytují. Pro vyjádření zastoupení složek v jednotlivých proudech se užívají hmotnostní zlomky. Složkou může být čistá chemická sloučenina definovaná vzorcem nebo také směs látek, jejíž složení se průchodem bilančním systémem nezmění. Např. při bilanci sušárny dělíme proudy materiálu a vzduchu do následujících složek: suchý materiál, suchý vzduch a voda. Avšak v bilanci jiného systému, kde se také vyskytuje proud vzduchu např. spalovací pec, užijeme složky: kyslík a dusík. Celkovou hmotnostní bilanci bilančního systému můžeme podle rovnice [1.3] napsat ve tvaru: J J d m m j = m j + dτ j = 1 vstup j = 1 + zdroj = výstup kde m j je hmotnostní tok proudu j, J počet všech proudů v bilančním systému. akumulace [1.4] U celkové bilance hmotnosti předpokládáme, že platí zákon o zachování hmotnosti, proto je zdroj nulový. Žádnými procesy celková hmotnost nevzniká ani nezaniká. Součet hmotností složek zanikajících, např. v chemických reakcích, je roven součtu hmotností složek vznikajících. Složkové bilance hmotnosti pro bilanční systém vyjádříme podle rovnice [1.3]: + kde w ij je hmotnostní zlomek složky i v proudu j, m i * tvorba/zánik složky i v systému chemickou reakcí, I počet složek. [1.5] Uvedené bilance a doplňkové rovnice představují soustavu rovnic s určitým počtem proměnných. Při jejím řešení je nutné dodržet nezávislost rovnic, řešitelnost soustavy a znát chyby řešení. Někdy se při výpočtu volí základ výpočtu. Na tuto hodnotu se pak vztahují veškeré výsledky. Např. výsledné množství produktu na 100 kg vstupující suroviny. 1.3 Energetická bilance Energetická bilance vychází ze zákona zachování energie. Existuje mnoho druhů energie. Kromě mechanické a tepelné je to energie elektrická, chemická, jaderná aj. 17

14 1 Základní principy Při různých dějích se přeměňuje energie jednoho druhu v energii jiného druhu. Podobně jako v celkové hmotnostní bilanci pro bilanční systém celková bilance energie neobsahuje zdrojový člen, protože energie ani nevzniká ani nezaniká. Jako příklad bilance energie si můžeme uvést bilanci toku celkové energie průtočného systému: d E E 1 + Q + W = E 2 + dτ [1.6] kde E 1 je vstupní konvekční tok energie do systému, který obsahuje tok vnitřní, kinetické a potenciální energie, E 2 výstupní konvekční tok energie, Q tok tepla, W tok práce, de/dτ rychlost akumulace energie v systému. Z rovnice [1.6] při zanedbání toku tepla a při ustáleném stavu (akumulace energie je nulová) dostaneme bilanci mechanické energie, která je základem odvození Bernoulliovy rovnice pro tok kapalin. Tokem kapalin se více zabývá kapitola 3. Dalším důležitým druhem energie je energie tepelná. Při tepelné bilanci resp. bilanci entalpie zanedbáváme příspěvek mechanické energie. Analogicky k rovnici [1.1] platí: Konkrétní příklady bilance entalpie jsou uvedeny např. v literatuře Hasal, Schreiber, Šnita a kol. (2007). 1.4 Obecný postup při bilančních výpočtech Při sestavování a výpočtu bilancí existuje následující doporučený postup: 1. Nakreslení bilančního schéma, označení uzlů, proudů a složek. 2. Zápis předpokladů a volba jednotek. 3. Přepočet vstupních dat. 4. Volba základu výpočtu. 5. Zápis stechiometrických rovnic chemických reakcí. 6. Zápis matice zadání. 7. Sestavení bilančních rovnic a dodatečných vztahů. 8. Řešení soustavy rovnic. 9. Kontrola správného výpočtu. 18