Konzervační zákroky - termosterilace

Transkript

1 Základy teorie sdílení tepla Konzervační zákroky - termosterilace 1 základní způsoby sdílení tepla: vedením (kondukcí) sdílení tepla v pevných tělesech přes pohyb molekul prouděním (konvekcí) sdílení tepla v důsledku proudění kapaliny způsobeném rozdíly hustoty, proděním bublin páry atd. sáláním (radiací) přenos elektromagnetické energie mezi dvěma tělesy majícími různé teploty v praxi transfér tepla uskutečňován v krocích celková účinnost dána uspořádáním jednotlivých fází 2 1. Přenos tepla z ohřívacího média do stěny výměníku nebo obalu ohřívací medium převládající způsob přenosu tepla odpor vůči přenosu tepla pára (bez vzduchu) kondenzace zanedbatelný parovzdušná směs proudění vzrůstá s rostoucím podílem vzduchu vzduch proudění vysoký voda vroucí proudění malý voda horká proudění klesá s rostoucí rychlostí proudící vody voda studená proudění střední plamen/zdroj IČ sálání malý fluidní lože proudění střední, závisí na rychlosti proudění, tj. promíchávání mikrovlny radiace žádný 3 2. přenos tepla obalem nebo stěnou výměníku typický případ sdílení tepla vedením vliv obalových materiálů na celkový odpor proti sdílení tepla 3. přenos tepla do zahřívaného produktu plynulý přechod od kondukce ke konvekci v praxi obtížné modelování doposud nejspolehlivější experimentální proměření průběhu ohřevu (znalost mechanismu 4 přestupu tepla není nezbytná) Nutno rozlišovat dva stavy ustálený stav: teplota vyhřívacího i vyhřívaného media se nemění teplo vstupující do materiálu = teplo uvolňované přestup tepla stěnou chladírenského skladu sdílení tepla v průtočných výměnících po ustálení podmínek neustálený stav: teploty materiálů se mění v čase většina aplikací v praxi výpočet poměrů při sdílení tepla (v praxi zejména stanovení tepelných profilů v určitých místech potraviny) v tomto případě mnohem složitější praxi nutná zjednodušení (sledujeme teplotu pouze v nejméně prohřívaném Sdílení tepla vedením - ustálený stav pevná tělesa - tok tepla z teplejší do chladnější části k = tepelná vodivost (J.m -1.s -1.K -1 nebo W.m -1.K -1 ) rovnice často využívána v diferenciální formě dq/dt = -kadt/dx bodě v obalu, atd.) 5 6 Q k.a. T1 T x 2 t 1

2 Sdílení tepla vedením - ustálený stav příklady tepelné vodivosti k (W.m -1.K -1 ) za běžných teplot: kovy silikáty 0,5 0,9 tepelné izolace 0,025 0,050 voda 0,55 led 2,25 potraviny dle teploty a typu 0,1 1,7 obalové materiály kovy viz výše sklo viz silikáty lepenka 0,07 Sdílení tepla vedením - neustálený stav distribuce teplot se s časem mění v závislosti na: teplotě ohřívacího média tepelné vodivosti materiálu měrném teple materiálu popis Fourierova rovnice (po zjednodušení) 2 T T. 2 t x kde je teplotní vodivost (m 2 s -1 ) k. c polymery 0,25 0, Sdílení tepla vedením - neustálený stav celá řada způsobů řešení pro konkrétní případy podle: volby systému souřadnic volby počátečních a konečných podmínek výpočtu přesných lokálních teplot nebo průměrných efektivních teplot ve zvoleném objemu atd. příklady hodnot (při běžných teplotách): potraviny 1,20-1,98 (x 10 7 m 2 s -1 ) voda 1,34-1,71 (x 10 7 m 2 s -1 ) polymerní obalové materiály 0,10 0,70 (x 10 7 m 2 s -1 ) 9 Sdílení tepla prouděním obecně dva typy proudění ohřívaného nebo vyhřívacího média: samovolné proudění (rozdíly v hustotě, zajímavé poměry v obalu) nucené proudění (proudění médií vytvářeno cíleně) matematický model složitější a obtížněji odvoditelný než v případě kondukce, obvykle tři přístupy: teorie filmu aplikace bezrozměrných kriterií 10 složité matematické postupy Sdílení tepla prouděním teorie filmu na povrchu stěny v kontaktu s proudící kapalinou se vytváří film základní rovnice pro přestup tepla prouděním má tvar Q = h.a.(t k -T p )t kde h je koeficient přestupu tepla (W.m -2.K -1 ) koeficient přestupu tepla je mírou odporu proti přestupu tepla v povrchovém filmu a je ekvivalentem výrazu k/x v rovnici pro sdílení tepla vedením 11 Příklady hodnot koeficientu přestupu tepla koeficient přestupu tepla (W.m -2.K -1 ) typické aplikace vroucí kapaliny odpařování kondenzující nasycená pára sterilace, odpařování kondenzující pára - 3 % vzduchu kondenzující pára - 6 % vzduchu kondenzující amoniak 6000 zmrazování, chlazení kapalina nízké viskozity proudící trubkou kapalina vysoké viskozity proudící trubkou pasterace odpařování proudící vzduch (3 m.s -1 ) 30 zmrazování, pečení vzduch v klidu 6 chladírenské 12 sklady 2

3 Sdílení tepla sáláním (radiací) tepelné vlny = IČ elekromagnetické vlnění (0,8-400 m), tří fáze ohřevu: konverze tepelné energie na elektromagnetické vlnění transport vln z horkého zdroje na ohřívaný objekt absorpce a rekonverze vlnění na tepelnou energii vyzářená energie z jednotky povrchu (černé těleso): E = T 4 kde = Stefan-Bolzmanova konstanta (5,67x10-8 Wm -2 K -4 ) 13 Teplo jako konzervační prostředek působení tepla na mikroorganismy (abiotický účinek) a enzymy praktická sterilace ( obchodní sterilita ) vlivy prostředí na inhibici mikroorganismů a enzymů zvýšenou teplotou: vliv vlhkosti prostředí vliv kyselosti prostředí vliv výchozí koncentrace mikroorganismů vliv doby základní tepelné konzervační procesy: blanšírování sterilace (pasterace) 14 Termosterilace předpoklad: znalost problematiky z předmětu Teoretické základy konzervace potravin : princip termosterilace jako metody konzervace potravin základem inaktivace mikrobů schopných růstu za daných podmínek zvýšenou teplotou význam inaktivace enzymů rozdíl termosterilace kyselých a nekyselých potravin, pojem pasterace zhodnocení významu termosterilace v porovnání s ostatními metodami konzervace potravin 15 Sterilační zařízení - přehled sterilátory kyselých potravin sterilátory mimo obal v obalu mimo obal sterilátory nekyselých potravin v obalu 16 Sterilátory kyselých potravin sterilace mimo obal průtoková sterilace následuje aseptické plnění nebo horký rozliv výhody oproti sterilaci v obalu: rovnoměrnější ohřev, levnější zařízení s levnějším provozem, menší nároky na prostor, snadnější úprava podmínek při změně produktu, snazší ovládání průběhu sterilace zařízení: tepelné výměníky (pro kapaliny, i velmi viskózní) Sterilátory kyselých potravin sterilace mimo obal deskové výměníky (až do výkonů l.h -1 ): tenké svislé ocelové desky stažené rámem k sobě vytvoření paralelních kanálů pro zahřívané médium a vyhřívací médium spoje těsněny pryžovým těsněním desky tvarovány tak, aby vyvolaly turbulentní proudění zahřívaného média turbulence dosahováno i rychlostí proudění tenčí film na povrchu výhřevné plochy rychlejší ohřev (koeficienty přestupu tepla W.m -2.K -1 ) možnost regenerace energie až do úrovně 95 %, % regenerované energie = 100x(T 2 -T 1 )/(T 3 -T 1 ) systémy pro výrobky obsahující částice 3

4 Sterilátory kyselých potravin sterilace mimo obal trubkové výměníky: většinou souosé trubky, resp. několik trubek v trubce produkt proudí v trubkách vnitřních vhodnější pro viskoznější produkty dětská výživa, kečup, majonéza, mléčné výrobky atd. výměníky se stíraným povrchem 19 Sterilátory kyselých potravin sterilace v obalu diskontinuální zařízení: sterilační vany skříňové, sprchové sterilátory sterilátory vyhřívané horkým vzduchem kontinuální zařízení: vanové sterilátory sprchové sterilátory parní nebo kombinované sterilátory i rotační uspořádání 20 sterilace mimo obal UHT procesy: teploty nad 132 o C ohřev menších množství produktu na relativně velkých plochách výměníků udržování turbulentního proudění produktu při průchodu nad vyhřívanou plochou použití čerpadel, nutnost čerpat produkt plynule proti tlaku ve výměníku, nutnost pravidelného čištění vyhřívacích ploch pro udržení vysoké rychlosti přestupu tepla podle metody záhřevu tři systémy: přímé (vstřikování páry, parní infuze) nepřímé (výměníky) 21 ostatní systémy (mikrovlnný, dielektrický a indukční ohřev) vstřikování páry (uperace) vstřikování páry (965 kpa) do předehřátého produktu (cca 76 o C) ohřev na teploty blízké 150 o C, výdrž po 2-3 s ochlazení v evakuovaném prostoru po průchodu škrtícím ventilem výhody: velká rychlost ohřevu i chlazení vhodnost pro produkty obsahující tepelně labilní složky odstranění těkavých látek (někdy vhodné, např. mléko) 22 vstřikování páry (uperace) nevýhody: vhodné pouze pro produkty s nízkou viskozitou obtížná kontrola procesu problémy se sterilitou nízkotlaké části nutnost páry potravinářské čistoty ta dražší regenerace energie obtížná (pod 50 %) oproti nepřímým metodám (nad 90 %) malá flexibilita zařízení z hlediska změny typu parní infuze produkt přiváděn ve formě volně padajícího filmu do parního prostoru pod tlakem (450 kpa) rychlý ohřev na o C během 0,3 s výdrž cca 3 s, ochlazení průchodem přes škrtící ventil na o C produktu

5 parní infuze výhody: produkt není v kontaktu s horkými povrchy eliminace možnosti připálení (oproti uperaci) téměř okamžitý ohřev na teplotu páry a rychlé zchlazení šetrnost k produktu oproti uperaci lepší možnosti ovládání procesu malé riziko lokálního přehřívání produktu vhodnější pro viskóznější produkty oproti uperaci nevýhody: jako u uperace nebezpečí ucpávání trysek a separace složek některých 25 potravin deskové výměníky princip stejný jako při sterilaci kyselých potravin řada omezení vyplývající z tlaků v zařízení: omezení tlaku těsněním desek do asi 700 kpa malé rychlosti proudění produktu (1,5 2 m.s -2 - dáno čerpáním do tlaku) horší přestup tepla malá rychlost může působit nerovnoměrné prohřívání a tvorbu úsad těsnění nesnáší vyšší tlak, teploty a alkalické prostředí při sanitaci nutno je měnit častěji než při pasteraci použitelnost je silně omezena pro materiály s vyšší viskozitou 26 deskové výměníky trubkové výměníky řada omezení vyplývající z tlaků v zařízení: zpočátku je třeba pečlivosti při ohřevu zařízení, v místech spojení desek je hmotnost kovových částí velká při nerovnoměrném ohřevu možnost deformací a poškození těsnění výhody: zařízení levné úsporné pokud jde nároky na prostor a spotřebu vody umožňuje účinnou recyklaci energie (přes 90 %) snadná úprava parametrů výkonu změnou počtu desek konstrukce obdobná zařízením pro pasteraci výhody: méně těsnění snadnější sanitace a udržování aseptických podmínek lze provozovat při vyšších tlacích (7 10 MPa) vyšší rychlost proudění produktu (6 m.s -1 ) díky větší rychlosti prakticky vždy turbulentní proudění produktu rovnoměrnější prohřívání a pomalejší tvorba úsad jednoduchá demontáž a sanitace trubkové výměníky nevýhody: obtížná inspekce vnitřního povrchu trubek a odstraňování úsad z potravin zde se tvořících použití omezeno na produkty nižší viskozity (do cca 1,5 N.s.m -2 ) jestliže se poškodí nějaká část, musí se odstavit celé zařízení (u deskového výměníku se provede pouze výměna desek) malá flexibilita ke změnám výrobní kapacity plynoucí z toho, že trubky většího průměru vyžadují větší tlak pro zachování rychlosti produktu, ale současně jsou k tlaku méně odolné zařízení nutno zdvojovat 29 jiné typy výměníků výměníky ze souosých trubek kombinace deskového a trubkového výměníku šroubovité profilování trubek má dopomoci k dosažení turbulentního proudění lze použít do tlaků cca 2000 kpa výměníky se stíraným povrchem např. zařízení typu votátoru pro viskozní materiály a produkty s částicemi do průměru cca 1 cm úprava se změnou produktu jednoduchá (změna geometrie rotoru) nevýhody: velké pořizovací náklady dané nutností přesné konstrukce30 nemožnost účinné recyklace tepla 5

6 jiné typy výměníků speciální výměníky pro UHT sterilaci produktů obsahujících částice navržena řada zařízení kombinace přímého i nepřímého ohřevu velice nákladná zařízení aplikace doposud poměrně omezená 31 Sterilátory nekyselých potravin sterilace v obalu diskontinuální autoklávy: stacionární vertikální autokláv hlavní armatury funkce protitlakový autokláv bezkošový autokláv rotační autokláv horizontální sprchový či parní autokláv kontinuální autoklávy: hydrostatický kontinuální autokláv dělený hydrostatický autokláv rotační kontinuální autokláv 32 Kontinuální autoklávy Optimalizace tepelných procesů hydrostatické autoklávy klasické dělené (Hunister) rotační kontinuální autoklávy tepelný proces aplikovaný na potraviny má současně žádoucí a nepříznivý účinek žádoucí efekt je základem účinnosti tepelného procesu konzervárensky významné tepelné procesy: blanšírování - inaktivace (oxidačních) enzymů pasterace - inaktivace vegetativních forem mikrobů sterilace - inaktivace bakteriálních spór základní nežádoucím účinek - tepelná destrukce nutričně a senzoricky významných složek potraviny (NSVS) Optimalizace tepelných procesů princip optimalizace tepelných procesů úprava podmínek tak, aby při dosažení nezbytné úrovně žádoucího účinku bylo poškození NSVS minimální pro nás významná možnost změn podmínek ohřevu, tj. teploty a doby jejího působení základem znalost kinetiky tepelné destrukce žádoucích i nežádoucích složek potravin souvislosti mezi terminologií používanou v klasické reakční kinetice chemických reakcí a terminologií běžně používanou v konzervárenské Vyjádření parametrů kinetiky termodestrukčních dějů rychlost reakce Ball - hodnota D klasická kinetika rychlostní konstanta k závislost na teplotě Ball - hodnota z klasická kinetika aktivační energie E a technologii (hodnoty D a z)

7 Porovnání typických hodnot E a (kcal.mol -1 ) z ( o C) D 250 (min) NSVS enzymy ,1-3 bakteriální spóry vegetativní buňky ,1-5 cca 100 cca 10 0,001-0,01 37 Porovnání typických hodnot závěry rozdíly v hodnotách D možnost tepelné sterilace jako takové rozdíly v hodnotách z možnost optimalizace tepelných procesů změnami teploty a doby jejího působení 38 Blanšírování základem přiměřenost inaktivace enzymů (zejména oxidačních) blízké hodnoty z pro tyto typy enzymů a NSVS optimalizace změnou režimu záhřevu sporná optimalizaci obecně nutno založit na jiných principech, např. zábraně ztrátám vyluhováním 39 Pasterace, sterilace nekyselých potravin základem inaktivace vegetativních forem mikrobů podstatný rozdíl v z hodnotách mezi vegetativními formami mikrobů a NSVS optimalizace změnou podmínek ohřevu možná 40 Sterilace nekyselých potravin základem inaktivace bakteriálních spór významný rozdíl v z hodnotách mezi spórami mikrobů a NSVS optimalizace možná platí tedy zásada, že z hlediska maximálního uchování NSVS je žádoucí aplikovat co nejvyšší teploty po přiměřeně zkrácenou dobu podle letalitních čar 41 Sterilace nekyselých potravin omezení uvedeného pravidla: potraviny v nichž se teplo sdílí prouděním tekutiny, hrášek v nálevu atd., platí téměř beze zbytku zásada vhodnosti co nejvyšších teplot v rozmezí teplot zhruba o C křížení letalitních čar bakteriálních spór a enzymů zvyšování teploty již neúčinné potraviny v nichž se teplo sdílí vedením náplně tuhé problémy s přehříváním povrchové vrstvy nutno najít kompromis, tj. dostatečně rychlý ohřev a ještě ne přílišné přehřívání povrchových partií. Řešení: teploty o C, vhodná geometrie obalů 42 7

8 Způsoby vyhodnocení účinnosti sterilačního zákroku předpoklad: znalost problému z předmětu Teoretické základy konzervace potravin : metoda W: n 1 W. d U 1 metoda F: n n 1 F.d L.d Fi 1 1 kde L = 10 (t-121,1)/z matematická metoda 43 Konzervační zákroky - sušení 44 Výroba sušeného ovoce a zeleniny základy teorie sušení: sušení - obecně proces, při kterém se odstraňuje z pevného materiálu vlhkost odpařováním do proudu plynu podmínka: voda voda pprostř ppovrch 45 Základy teorie sušení I. období sušení p voda voda povrch hladina rychlost odpařování: nezávisí na průměrné vlhkosti materiálu je konstantní za předpokladu neměnných vlastností a podmínek proudění sušícího vzduchu II. období sušení p voda voda povrch hladina rychlost sušení s časem klesá závisí na poměru rychlosti difuse vlhkosti materiálem 46 a rychlostí difuse do sušícího vzduchu p p Základy teorie sušení kritická vlhkost materiálu (c k ) přechod I. a II. období není hodnota konstantní, je závislá na povaze a stavu materiálu a na vlastnostech proudícího vzduchu voda voda ppovrch pvzduch rychlost sušení se zmenšuje až se asymptoticky blíží nule rovnovážná vlhkost (c r ) voda voda p povrch vzduch není možné za daných podmínek sušení z materiálu odstranit p 47 Základní principy konzervace sušením dehydratace, tj. odnímání vody potravinám snížení a w produkt stabilní anabiotická metoda (osmoanabiosa) vazba vody v potravinách: na hydrokoloidy (voda volná voda imobilizovaná pravá hydratační voda) pevnost vazby různá, při odstraňování vody sušením toto stále obtížnější nesmí dojít k nevratné dehydrogenaci koloidů určité nevratné změny nevyhnutelné, má-li být produkt údržný (teoreticky by neměla vlhkost klesnout pod % u rostlinných produktů, u živočišných %) 48 8

9 Základní principy konzervace sušením vodní aktivita: voda ppovrch RRV aw voda phladina 100 mírou mobilnosti vody vztah k osmotickému tlaku: CH 2O a 18 w n CH 2O Ci 18 i1 M i tento vztah pro potraviny nevhodný, aktivních složek mnoho, neuvažuje vliv makromolekulárních látek vyjádření pomocí RRV sorpční izotherma 49 vliv a w na změny v potravinách Sorpční izotherma vztah mezi vlhkosti a RRV rozdíl adsorpce x desorpce tři základní oblasti : A, B, C monomolekulární vrstva vody konkávní tvar k ose RRV vazebná energie závisí na charakteru a struktuře potraviny kondenzace vody v pórech materiálu + rozpouštění voda i ve velkých kapilárách, voda dostatečně volná účast v chemických reakcích parciální tlak vody ovlivněn rozpuštěnými složkami adsorpce dalších vrstev vody voda stále poměrně pevně vázaná parciální tlak vodní páry se snižuje v přítomnosti malých kapilár vazebná energie = kondenzační teplo 50 prouděním vzduchu vedením (dotykem s vyhřívanými deskami nebo válci) Konstrukce sušáren (podle způsobu přívodu energie k sušení) teplo se sušenému produktu dodává sáláním (IČ ohřev) vlastní teplo sušeniny (sublimační sušení) mikrovlnným polem 51 Konzervační zákroky - zmrazování 52 Princip princip zmrazování: zastavení všech mikrobiálních i enzymových dějů prudkým a dostatečně hlubokým zmrazením (viz teorie) problémy: potrhání pletiva a desorganisace pochodů v něm v důsledku tvorby ledu (objem ledu o 1/11 zvětšen oproti vodě) ireversibilní denaturace, koagulace koloidů (bílkovin) v důsledku odnímání vody (čím nižší teplota, tím vyšší zpomalení denaturační reakce vlivem teploty ale podpoření vlivem vyššího zakoncentrování tekutého prostředí možnosti omezení tvorby ledu (vitrifikace, zmrazení 53 po proslazení, prosolení, předsušení atd.) Zmrazování obecné problémy rychlost zmrazování (v): dostatečně velká, nemá být extremní (nepříznivý vliv extremně nízkých teplot na vnější vrstvy produktu) obvykle jako podíl tloušťky vrstvy materiálu a doby, po které dojde ke snížení teploty z povrchové hodnoty 0 o C na teplotu indikační t i mělo by platit: t i t 2 a současně t u = (t p +t i )/2, čili t i =2t u -t p kde t i je indikační teplota, t 2 je dolní teplota pásma maximální tvorby ledu, t u je teplota skladování, t p je teplota povrchu čili zmrazovacího media doporučení IIF t i = t 1 + (-10 o C), kde t 1 je horní teplota pásma maximální tvorby ledu 54 9

10 Zmrazování obecné problémy základní problém tedy zmrazovat rychle ale nepřechladit vnější vrstvy produktu orientačně zmrazování: pomalé v 1 cm/h rychlé v = 1 5 cm/h velmi rychlé v > 5 cm/h 55 Zpracování ovoce a zeleniny terminologie: zmrazené (zmrazované) x zmrzlé (zmražené, mražené) stručný technologický postup: příjem suroviny přípravné operace úprava před zmrazováním vlastní zmrazení 56 Zmrazovací zařízení základem zmrazovacích zařízení chladící stroje: kompresní chladící stroj absorpční chladící stroj chladiva (NH 3, CO 2, CS 2, dříve freony atd.) funkční uspořádání zmrazovačů základní principy: přímý kontakt zboží s vypařujícím se chladivem kontakt zboží se stěnami mrazících těles chlazení proudícím chladným vzduchem noření zmrazovaného zboží do hluboko vychlazených 57 kapalin Zmrazovací zařízení přímý kontakt zmrazovaného zboží s vypařujícím se chladivem nebo jeho párami: kontaktní, kryogenní zmrazování komory či tunely s rozstřikovaným plynným chladivem (N 2, CO 2 atd.) pro CO 2 náhlá expanze jemný sníh CO 2, jeho sublimací do proudu CO 2 plyn o teplotě cca 62 o C výhody: investičně nenáročné jednoduchá obsluha a udržba (suchý a čistý provoz) velká rychlost zmrazování nevýhodou: velká spotřeba drahého chladiva to musí být potravinářské čistoty 58 Zmrazovací zařízení Zmrazovací zařízení dotyk zmrazovaného zboží se stěnami mrazících těles v nich cirkuluje a vypařuje se chladivo (výparníky) nebo v nich proudí vychlazená solanka: deskové zmrazovače - vychlazené desky mezi které: vloženy a zmáčknuty výrobky v obalu (diskontinuální provoz) sypký materiál se na desky sype a po nich pohybuje větší výkony, je-li v deskách přímo chladivo 59 vystavení zboží rychle proudícímu studenému vzduchu, stále ochlazovanému chladivem: rychlosti vzduchu cca m.s -1, teploty cca 30 o C až -50 o C skříňové, pásové zmrazovače: zboží na pásu, chlazeno proudícím vzduchem systém GYRoFREEZE fluidní zmrazovače: horizontální perforované bubny, kterými proniká proud chladícího vzduchu produkt ve vznosu výhody: rychlost zmrazování, produkt se neslepuje

11 Zmrazovací zařízení noření zmrazovaného zboží do hluboko vychlazených kapalin s nízkým bodem tuhnutí (solanek, roztoků organických látek atd.) nebo jeho postřik takovými kapalinami: imerzní zmrazovače výhody: účinnější odnímání tepla než při kontaktu se vzduchem nevýhodou: velké investiční náklady a obtížná manipulace kombinované způsoby zmrazování 61 11