MATERIJALNA I ENERGETSKA BILANCAMATERIJALNA I ENERGETSKA BILANCA

Tijekom provoenja sterilizacije neophodno je procijeniti efikasnost nekog termikog tretiranja (kojim se provodi sterilizacija) te utvrditi granice sigurnosti, kako bi vjerojatnost, da e neka spora preivjeti u konzervi, bila svedena na minimum.

Openito se smatra zadovoljavajuim kada se kvari 1:10000 konzervi podvrgnutih termikom tretiranju.

Meutim, u sluajevima kada treba voditi rauna o patogenim mikroorganizmima, kao to je Cl. botulinum, proces sterilizacije se moe ocijeniti kao efikasan jedino ako omoguava svoenje vjerojatnosti za preivljavanje spora (nakon tretiranja) na vrijednost od 1 spore u 1012 ili preivljavanje spora (nakon tretiranja) na vrijednost od 1 spore u 1012 ili vie konzervi.

Za odreivanje efikasnosti sterilizacije potrebno je poznavati slijedee:

1) toplinsku otpornost mikroorganizama kojim je namirnica kontaminirana2) fizikalna i kemijska svojstva namirnica3) brzinu prodiranja topline u kritinu (najhladniju) toku konzerve

Letalni efekt termikog tretiranja je funkcija

a) vremena b) temperature.

Vrijeme sterilizacije ovisi o nizu faktora kao to su:

1) fizikalno toplinska svojstva namirnice2) oblik i veliina konzerve3) vrsta mikroorganizama4) poetni broj mikroorganizama5) starost i uvjeti rasta i razvoja mikroorganizama

Pri procjeni efikasnosti sterilizacije koriste se odreeni termini. Pri procjeni efikasnosti sterilizacije koriste se odreeni termini.

TDT vrijeme toplinske smrti (vrijeme unitenja svih spora kod neke temperature)

TRT vrijeme toplinske redukcije vrijeme termikog tretiranja potrebno da se broj mikroorganizama svede na frakciju nekog poetnog broja

Da bi se definirala termika otpornost spora nekog mikroorganizma, potrebno je poznavati njegovu otpornost kod neke letalne temperature (obino kod 121 C) i varijabilnost te otpornosti kao funkciju temperature.

Budui da je letalni efekt termikog tretiranja na mikroorganizme funkcija vremena i temperature, letalni uvjeti za neki mikroorganizam izraeni su vremenom decimalne redukcije (Decimal Reduction Time) D.

D vrijeme decimalne redukcije - trajanje termikog tretiranja u minutama kojim se broj preivjelih mikroorganizama smanjuje za 90 %minutama kojim se broj preivjelih mikroorganizama smanjuje za 90 %tj. na 1/10 poetnog broja.

Unitenje bakterija izloenih djelovanju topline kod neke konstantne letalne temperature, slijedi logaritamski tok - to znai da jednaki postotci preivjelih stanica ugibaju u svakoj sljedeoj jedinici vremena, to moemo prikazati jednadbom za kinetiku reakcija prvog reda:

dN/dt = - kN

gdje je dN/dt - brzina unitenja sporaN - broj preivjelih sporat - vrijeme djelovanja toplinek - konstanta brzine reakcije

Integriranjem gornjeg izraza izmeu granica t0 i t1 i uvoenjem pojma vremena decimalne redukcije (D) dobivamo sljedeu jednadbu:

gdje je:

N0 - broj mikroorganizama na poetku tretiranja

D

t

N

N=

0

1log

N0 - broj mikroorganizama na poetku tretiranjaN1 - broj mikroorganizama nakon vremena tD - vrijeme decimalne redukcije

Ili u eksponencijalnom obliku:

N1 = No 10-t/D

Broj m.o. u 1 g

1 1000

100

D=8 min

10

4 12 Vrijeme (min)

Krivulja brzine smrti mikroorganizama

Drugi vaan faktor u definiranju termike otpornosti nekog mikroorganizma jest temperaturni kvocijent, odnosno zavisnost otpornosti mikroorganizma o temperaturi.

Poto se prehrambeni proizvod u procesu sterilizacije ne zagrijava trenutno na odreenu temperaturu, ve prolazi kroz vremenski ovisan toplinski tretman, neophodno je poznavati brzinu unitenja mikroorganizma u danom temperaturnom podruju tj. kod razliitih temperatura.

Prema definiciji temperaturni koeficijent (kad je T=10) predoava odnos konstanti brzina reakcija kod dvaju temperatura:

QT = k2 / k1

Daljnji pojam koji se koristi u procesima sterilizacije je z vrijednost. z-vrijednost je temperaturni interval u C potreban da bi se vrijeme decimalne redukcije (D) smanjivalo ili poveavalo za 10 puta. Te se moe izraziti kao:

z

T - T

D

D log 12

1

2=

1000

100 D2

10 D1

z

99 108 112 Temperatura (C)

Cz

z

o4

108112

10

100log

=

=

Odnos izmeu veliina z i Q10 dan je slijedeom jednadbom:

Q log

10 z

10

=

Konzerviranje termikom sterilizacijom

Konzerviranje namirnica na visokim temperaturama obuhvaa metode

pasterizacije i pasterizacije i

sterilizacije.

Pasterizacija je postupak termike sterilizacije koji se provodi pri temperaturama

niim od 100 C

Dugotrajna pasterizacija se provodi 30-40 minuta pri temperaturiod 63-65C

kratkotrajna pasterizacija provodi 1-1,5 minuta pri temperaturi od85-95C

Za bolje i dugotrajnije uvanje namirnica primjenjuje se viestrukapasterizacijapasterizacija

Pasteriziraju se

mlijeko

voni sokovi

konzervirano povre,

razliite vone preraevine i sl.

Pasterizacijom se unitavaju mikroorganizmi, ali ne i njihove spore kojenakon nekog vremena mogu izazvati rast mikroorganizama i kvarenjenamirnica

Sterilizacija

je postupak zagrijavanja i odravanja namirnica u hermetikojambalai na temperaturama viim od 100C u trajanju 20-40 minuta

temperatura je razliita i ovisi o vrsti namirnice

mesne konzerve T = 125 C, t = 30 70 min

voe T = 100 - 110 C, t = 40 50 min

povre T = 115 C, t = 10 30 min povre T = 115 C, t = 10 30 min

Uvjeti sterilizacije odabiru se tako da se unite svi mikroorganizmi injihove spore

Ohlaene sterilizirane namirnice uvaju se kao trajne namirnice

Pod pojmom konzerva podrazumijeva se sterilizirane namirnice ulimenkama

Sterilizacija konzervi obavlja se pomou vodene pare u autoklavima

posude koje se hermetiki zatvaraju

zagrijavanje vode izvan temperature vrelita pod povienim tlakom

meso, riba, voe i povre hermetiki zatvorene limenke

Toplinska stabilnost vegetativnih stanica ovisi o:

Mikrobnoj vrsti;

Optimalnoj i maksimalnoj temperaturi rasta

Lipidnom sadraju stanice (lipidi poveavaju toplinsku otpornost);

Tenji stanica k nakupljanju (nakupine otpornije na toplinu);

Fazi u krivulji rasta; Fazi u krivulji rasta;

Kemijskom sastavu okolne sredine (udjel masti djeluje zatitno na stanice);

pH vrijednosti okolne sredine (udaljavanje od optimalnog pH za rast toplinska otpornost raste);

Aktivnosti vode (manji aW smanjuje se toplinska otpornost)

1. Izmjenjiva topline2. Centrifugalni separator3. Standardizacija mlijene masti (automatski)4. Homogenizator

KONZERVIRANJE KONCENTRIRANJEMKONZERVIRANJE KONCENTRIRANJEM

princip: anabioza (uklanja se voda)

primjena: za tekue namirnice

udio vode u koncentriranoj namirnici: 25 30 %

Osnovni zahtjevi:

a) ne smije doi do degradacije sastojaka hrane

b) proces mora biti selektivan (uklanja se samo voda)

Podjela tekuih namirnica s obzirom na osjetljivost na koncentriranje:

a) umjereno toplinski osjetljive mogu se koncentrirati bez veih problema

podnose vie temperature (50 C ili vie)

podnose veliku temperaturnu razliku ( T) izmeu ogrjevne pare i samogproizvoda

Tu se ubrajaju: otopine glukoze ili saharoze, sladni ekstrakt, bistre juhe, sokovijabuke ili ananasa

b) toplinski osjetljivi proizvodi pri koncentriranju dolazi do raznihdegradativnih promjena:degradativnih promjena:

razgradnja, polimerizacija, koagulacija pojedinih sastojaka

gubitak tvari arome (kod vonih sokova posebno citrusa)

Tu se ubrajaju: mlijeko, neki voni sokovi

c) viskozni proizvodi

nenewtonske tekuine (kaasti sokovi) moe doi do taloenja nastjenkama isparivaa

Procesi koncentriranja mogu se provesti na tri naina:Procesi koncentriranja mogu se provesti na tri naina:

uparavanjem

a) bez rekuperacije arome

b) sa rekuperacijom aromeb) sa rekuperacijom arome

smrzavanjem

membranskim procesima:

ultrafiltracijom i reverznom osmozom

teoretski utroak energije

Efikasnost = ---------------------------------- x 100

stvarni utroak energije

Utroak energije izraunat je uz pretpostavku da se koncentrira otopina poetne suhe tvari od 10 % do konanih 35 % (uz kapacitet isparenja vode 1000 kg/h)suhe tvari od 10 % do konanih 35 % (uz kapacitet isparenja vode 1000 kg/h)

Paralelni prikaz postupaka koncentriranjaParalelni prikaz postupaka koncentriranja

Tip procesa Maksimalno

mogu udio

suhe tvari

(% suhe tvari)

Efikasnost

( % )

Utroak energije

izraen ekvivalentom

pare

(t)

Uparavanje bez

rekuperacije arome

-jednostruki efekt

-dvostruki efekt

-trostruki efekt

50 - 80 90 1,111

0,555

0,386

Uparavanje sa

rekuperacijom arome

-jednostruki efekt

50 - 80 90 1,257

0,701-jednostruki efekt

-dvostruki efekt

-trostruki efekt

0,701

0,510

Smrzavanje 30 - 50 80 0,090 0,386

(ovisno o temp. razlici

izmeu kondenzatora i

isparivaa)

Ultrafiltracija (UF) 20 - 30 75 0,001

Reverzna osmoza 20 - 35 75 0,028

KONCENTRIRANJE UPARAVANJEMKONCENTRIRANJE UPARAVANJEM

Prednosti:

visoki stupanj koncentriranja

Nedostaci:

a) stvaranje taloga na mjestima izmjene topline u ogrjevnim tijelima

b) gubitak tvari aromeb) gubitak tvari arome

c) toplinsko oteenje proizvoda

d) posmeivanje tijekom procesa ili skladitenja

MATERIJALNA I ENERGETSKA BILANCAMATERIJALNA I ENERGETSKA BILANCA

Koliine materijala koje prolaze kroz neki proces odnosno operaciju mogu se opisati pomou materijalne bilance.

Takve bilance slue to veem moguem ouvanju, odnosno utedi mase.

Slino, koliine energije mogu biti opisane pomou bilance, koja isto tako slui to veem moguem ouvanju odnosno utedi energije.

Ako nema akumulacije u sustavu, ono to ue u proces mora i izai iz procesa.mora i izai iz procesa.

To vrijedi za arne operacije jednako kao i za kontinuirane operacije tijekom nekog izabranog vremenskog intervala.

Materijalne i energetske bilance su jako vane u industriji, osnova su za kontrolu procesiranja, osobito u kontroli doprinosa proizvoda.

Prilikom bilo kakvih izmjena u procesu potrebno je i nanovo izraditi materijalnu bilancu.

Osnovni principi Bilanca mase i energije koja ue u sustav mora biti jednaka

energiji i masi koja izae iz sustava. Zakon o ouvanju energije je baza za materijalnu bilancu. Masa koja ue u sustav=masa koja izae + pohranjena masa Sirovi materijali = produkti + gubici + pohranjeni materijal

mR = mP + mW + mS mR = mP + mW + mS

mR = mR1 + mR2 + mR3 = ukupni sirovi materijalimP = mP1 + mP2 + mP3 = ukupni produkti mW= mW1 + mW2 + mW3 = ukupni otpadni produkti mS = mS1 + mS2 + mS3 = ukupni pohranjeni produkti

Dijagram materijalne i energetske bilance

Ako nema nikakve kemijske promjene u procesu, zakon o ouvanju energije se mora primijeniti i na svaku komponentu, a tako da za komponentu A vrijedi:

mA ulazni materijali = mA izlazni materijali + mA pohranjeni materijal u procesu

mA = (mAP + mAW + mAU)

gdje je mAU je nepoznati gubitak kojeg treba identificirati.

Pa je tako materijalna bilanca: Sirovi materijali = produkti + otpadni produkti +

pohranjeni produkti + gubicigdje su gubici neidentificirani materijali.

Energetska bilanca Ulazna energija = izlazna energija + pohranjena energija

ER = EP + EW + EL + ES

Gdje vrijedi: ER = ER1 + ER2 + ER3 + . = ukupna ulazna energija Ep = EP1 + EP2 + EP3 + . = ukupna energija koja odlazi s Ep = EP1 + EP2 + EP3 + . = ukupna energija koja odlazi s

produktima EW = EW1 + EW2 + EW3 + = ukupna energija koja odlazi s

otpadnim produktima EL = EL1 + EL2 + EL3 + . = ukupna energija izgubljena na

okolinu ES = ES1 + ES2 + ES3 + . = ukupna pohranjena energija Bilance energije su esto komplicirane jer energija moe prelaziti

iz jednog oblika u drugi, npr. Mehanika energija u toplinsku energiju, ali ukupna koliina mora biti jednaka.

Primjer 1.10 000 kg/h rijetke otopine sa 1%-tnim sadrajem krutih estica uparava se u jednostepenom uparivau do koncentracije od 20%. Rijetka otopina ulazi pri temperaturi 25 C. U ogrjevni koaru uparivaa dovodi se ogrjevna para pri temperaturi od 110 C. Apsolutni tlak u uparivau se odrava konstantnim i njegov iznos je toliki da voda u uparivau kljua pri temperaturi od 55 C. Povienje toke vrelita za rijetku otopinu je 0,2 C, dok je 20%-tnu otopinu 15 C. Ukupni koeficijent prolaza topline pri normalnim uvjetima iznosi 2500 Ukupni koeficijent prolaza topline pri normalnim uvjetima iznosi 2500 W/m2 C. Potrebno je odrediti: - koliinu ogrjevne pare - koliinu topline koju sa sobom odnosi kondenzat - povrinu toplinske izmjene

mr.ot..= 10 000 kg/h cr.ot.. = 1,0 mas. % cu.ot. = 20 mas. % tp = 110 C k = 2500 W/m2 C mp; Qk ; A= ?

Materijalna bilanca: mr.ot. 0,01 = mu.ot. 0,2 mr.ot. 0,01 = mu.ot. 0,2 mu.ot.= 0,01 mr.ot./0,2= 500 kg/h ms.p.= mr.ot.- mu.ot.= 10000 500 = 9500 kg/h

Energetska bilanca:

Temperatura vodene pare na izlazu uparivaa = 55 C + 15 C = 70 C

Entalpija rijetke otopine (25 C); h'r.ot. = 104,8 kJ/kg

Entalpija uguene otopine (70 C); h'u.ot. = 293,0 kJ/kg

Tlak u uparnom prostoru uparivaa = 15,74 kPa (aps) (zasiena vodena para na 55 C)

Entalpija sekundarne pare u uparnom prostoru pri 70 C i 15,74 kPa; Entalpija sekundarne pare u uparnom prostoru pri 70 C i 15,74 kPa; h''s.p. = 2640 kJ/kg (iz Mollier-ovog dijagrama)

Entalpija vode na 15,74 kPa; h' = 230,2 kJ/kg Latentna toplina pare na 110 C; r = 2230 kJ/kg

Ukupna energetska bilanca: mr.ot. h'r.ot + m'p r = ms.p. h''s.p.+ mu.ot. h'u.ot.

10000 104,8 + m'p 2230 = 9500 2640 + 500 293

Primjer 2 : Toplinska bilanca autoklava kod konzerviranja

Autoklav sadri 1000 konzervi juha od graka. Zagrijano je na ukupnu temperaturu od 100C. Ako konzerve ohladimo na 40C prije nego ih stavimo u autoklav, koliko rashladne vode je potrebno ako ih autoklav, koliko rashladne vode je potrebno ako ih stavimo na 15C i izvadimo pri 35C ?

Specifina toplina juhe od graka i metalna konzerva imaju oekivanih 4,1kJ/kg C i 0,50 kJ/kg C. Teina svake konzerve je 60 g i sadri 0,45 kg juhe od graka.

Ako pretpostavimo da je toplina koja prolazi u valovima autoklavom iznad 40C 1,6 x 104kJ i da nema toplinskih gubitaka kroz valove.

w = trai se: teina rashladne vode i da je granina w = trai se: teina rashladne vode i da je granina temperatura 40C, temperatura kada konzerve stavimo u autoklav

Ulazna toplina

Toplina u konzervama = teina konzervi x specifina toplina x temperatura iznad granine = 1000 x 0,06 x 0,50 x (100 40)kJ

= 1,8 x 10 kJ= 1,8 x 10 kJ

Toplina u konzervama sadri = teinu juhe od graka x specifina toplina x temperatura iznad granine = 1000 x 0,45 x 4,1 x ( 100 40 )

= 1,1 x 105 kJ

Toplina u vodi = teina vode x specifina toplina x temperatura iznad granine

= w x 4, 186 x ( 15- 40 )= - 104,6 w kJ

Izlazna toplinaToplina u konzervama = 1000 x 0,06 x 0,50 x

( 40 40 ) (konzerve na graninoj temperaturi)

= 0

Toplina u konzervama sadri = 1000 x 0,45 x Toplina u konzervama sadri = 1000 x 0,45 x

4,1 x ( 40 40 ) = 0

Toplina u vodi = w x 4, 186 x ( 35 40 )

= - 20, 9 w

Toplinsko energetska bilanca rashladnog procesa; 40C

ulazna toplina ( kJ )ulazna toplina ( kJ ) Izlazna toplina (kJ)Izlazna toplina (kJ)

Toplina u Toplina u

konzervamakonzervama

18001800 Toplina u Toplina u

konzervamakonzervama

00

Toplina u konzervi Toplina u konzervi 110000110000 Toplina u konzervi Toplina u konzervi 00

sadrisadri sadrisadri

Toplina u valovima Toplina u valovima

autoklavaautoklava

1600016000 Toplina u valovima Toplina u valovima

autoklavaautoklava

00

Toplina u vodiToplina u vodi --104,6 w104,6 w Toplina u vodiToplina u vodi --20.9 w20.9 w

Ukupna ulazna Ukupna ulazna

toplinatoplina

127800 127800 104,6 w104,6 w Ukupna izlazna Ukupna izlazna

toplinatoplina

--20,9 w20,9 w

Ukupna ulazna toplina = ukupna izlazna toplina

127800 104,6 w = - 20,9 w

w = 1527 kg

* Traena koliina rashladne vode = 1527 kg