z3 ZAMRAŻALNICTWO

1/57

Teoretyczne podstawy procesu zamrażaniaTeoretyczne podstawy procesu zamrażania


Zamrażanie zmniejsza szybkość przebiegu procesów chemicznych i biochemicznych wskutek:

• obniżenia temperatury ciała,

• zmiany jego stanu skupienia w wyniku przemiany wody w lód, (co zmniejsza stopień ruchliwości cząsteczek i ich możliwość reagowania).


• Przemiany fizyko chemiczne wywołują najwięcej szkodliwych zmian między temperaturą zamarzania a temperaturą -5 do -10°C

• Dlatego możliwie szybkie przekroczenie tego krytycznego zakresu, podczas zamrażania i rozmrażania, jest jednym z podstawowych zaleceń technologii chłodniczej.

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża

nia

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża

nia Zamrażanie wody i roztworówZamrażanie wody i roztworów

• W produktach spożywczych woda nie

występuje nigdy w stanie czystym, lecz w

formie roztworów,

• część wody jest trwale związana w strukturach

białek i wielocukrów.

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża

nia

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża


• Obecność w wodzie substancji tworzących z nią

roztwór powoduje zmianę jej charakterystycznych

punktów fizycznych:

– obniżenie temperatury krioskopowej,

– podniesienie temperatury wrzenia i

– obniżenie ciśnienia pary wodnej nad roztworem.

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża

nia

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża


Krystalizacja

Proces krystalizacji charakteryzują dwie

szybkości :

• szybkość powstawania zarodków

kryształów i

• szybkość wzrostu kryształów.

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża

nia

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża


Krystalizacja, w której zarodkami kryształów są

ciała obce, nosi nazwę heterogenicznej .

W praktyce zamrażalniczej dąży się do realizacji

procesu przy maksymalnej liczbie zarodków

kryształów i minimalnej szybkości ich wzrostu.

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża

nia

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża


• Przy mniejszych szybkościach zamrażania

woda zawarta w roztworze tworzy wielki

kryształ biorący początek z jednego zarodka

krystalizacji. W miarę wzrostu szybkości

zamrażania rośnie liczba ośrodków

krystalizacji i maleje ich zasięg.

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża

nia

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża


• W czasie krystalizacji wzrost kryształów jest stale

hamowany wzrostem stężenia roztworu, aż w

końcu następuje całkowite zatrzymanie procesu.

• Ustala się pewien stan równowagi między siłami

przyciągającymi cząsteczki wody do kryształu

lodu i oporem roztworu przed utratą tej wody.

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża

nia

Teo

rety

czn

e po

dsta

wy

proc

esu

zam

raża


• Ilość wody, jaka nie może być wymrożona z

roztworu, zależy od stężenia tego roztworu i jego

temperatury.

• Ilość ta spada wraz z obniżaniem się temperatury

do pewnego minimum, które określa ilość wody

nie wymarzającej w danej temperaturze; jest to

woda związana.

11/57

Zamrażanie tkanek roślinnych Zamrażanie tkanek roślinnych

Zamrażanie Zamrażanie tkanektkanek roślinnych roślinnych

• Proces zamrażania systemów biologicznych przebiega inaczej niż roztworów fizycznych.

• Zasadnicza różnica wynika z ich tkankowej budowy.

• Roztwory komórkowe są zawiesiną i są zamknięte w błonie o specjalnych właściwościach.


• Podczas zamrażania przemysłowego korzystne byłoby uzyskanie przechłodzenia zawartej w tkankach wody.

• Przechłodzenie skraca moment wymrożenia i warunkuje powstawanie drobnych kryształów lodu wewnątrz nieuszkodzonych komórek.


• W normalnych, technicznych warunkach zamrażania zjawisko przechłodzenia praktycznie nie występuje:

– struktura tkankowa, z rozbudowaną powierzchnią ścianek i licznymi zawiesinami w treści komórek, stwarza wiele dogodnych zarodków krystalizacji.

– w toku procesu zamrażania na powierzchni produktu osiadają kryształy szronu, które również stanowią zarodki krystalizacji.


• Zmiany w tkankach biologicznych spowodowane zamrażaniem są bardzo różnorodne, szczególnie wyraźnie występują one w tkankach roślinnych o delikatnej strukturze.

– błona traci zdolność półprzepuszczalności,

– po rozmrożeniu tkanka traci turgor, jest wiotka,

– następuje wyciek soku,

– komórki nie potrafią się kurczyć lub pęcznieć pod wpływem roztworów hiper- lub hipotonicznych.

– Ponadto tkanka jest bardzo często uszkodzona mechanicznie przez kryształy lodu.




Schemat krystalizacji lodu w komórkach podczas szybkiego zamrażania


• Zmiany zamrażalnicze w tkankach roślinnych zależą w znacznej mierze od struktury i funkcji komórek.

• W tkankach włóknistych i komórkach o grubych ściankach zmiany te są na ogól nieznaczne.


Pod względem podatności na zmiany wywołane szybkością zamrażania produkty żywnościowe można podzielić na 4 grupy:

• szybkość zamrażania praktycznie nie ma na nie wpływu (o dużej zawartości suchej substancji, takich jak groszek);

• w szerokich granicach niewrażliwe na zmiany szybkości zamrażania, (zawierające skrobię lub na bazie mąki);


• przy wzroście szybkości zamrażania jakość wyraźnie się poprawia; są to m.in. produkty roślinne o dość małej zawartości suchej substancji, ale jędrnej tkance (truskawki, fasola);

• produkty uzyskujące dobrą jakość tylko przy mrożeniu szybkim i ultraszybkim, (produkty roślinne o małej zawartości suchej substancji i luźnej tkance, np. maliny, pomidory, ogórki).

– występujące w tych warunkach naprężenia mogą powodować uszkodzenia ich struktur komórkowych


Obniżenie punktu zamarzania

• Substancje rozpuszczone w wodzie zawartej w żywności powodują obniżenie punktu jej zamarzania. Obniżenie to jest tym większe im większe jest stężenie substancji rozpuszczonej w roztworze.


Tc-temperatura centrum termicznegoTp-temperatura powierzchni ciała

Teoretyczny przebieg

Rzeczywisty przebieg

b-c – zamrażanie właściwe

a-b – schładzanie do Tcr

c-d – domrażanie

• Czas zamrażania zależy od następujących czynników:

– wymiarów i kształtu zamrażanego ciała, – czynnej różnicy temperatur,– współczynnika wnikania ciepła między produktem a

medium, – opakowania,– współczynnika przewodzenia ciepła produktu.

W technice zamrażania można wpływać na cztery pierwsze czynniki, natomiast współczynnik przewodzenia ciepła zależy wyłącznie od cech fizycznych produktu.

Zamrażanie Zamrażanie tkanektkanek roślinnych roślinnychWpływ różnych czynników na proces zamrażaniaWpływ różnych czynników na proces zamrażania

Wymiary i kształt ciała

• Na czas zamrażania wpływa głównie grubość zamrażanego ciała. Inne wymiary są mniej ważne.

• Równie istotny jest kształt ciała. – Przy tych samych grubościach najkorzystniejszy

jest kształt kuli, potem walca i prostopadłościanu oziębianego ze wszystkich stron.

– Najmniej korzystna jest postać płyty.

Zamrażanie Zamrażanie tkanektkanek roślinnych roślinnychWpływ różnych czynników na proces zamrażaniaWpływ różnych czynników na proces zamrażania

26/57

Współczesne techniki Współczesne techniki zamrazamrażżaniaania

WspWspóółczesne techniki zamrałczesne techniki zamrażżaniaania

KLASYFIKACJA ZAM RAŻAREK

T U N E L E O K R E S O W E

S P IR A L N E T A CO W E

S P IR A L NE T A Ś M O W E

A U T O M A T Y C Z NE S T E L A ŻO W E

O W IE W O W E

R Y N N O W E

T A S M O W E

F L U IDY Z A CY JNE

P O W IE T R Z NE

P O ZIO M E

P IO N O W E

P Ł Y T O W E

T A Ś M O W E

B Ę B NO W E

K O N T A K T O W ET u ta j w p isz ty tu ł

IM M E R S Y JNEW C IE C Z A C H N IE W R Z Ą C Y CH

L IN L IC

T U N E L O W E S P IR A L N E

K R IO G E N IC Z NEW C IE C Z A C H W R Z Ą C Y C H

ZAM RAZARKI

90% 9% 1%

• Czas zamrażania waha się od 2 h dla porcji jednostkowych do 12-18 h w przypadku mrożenia mięsa w półtuszach lub ćwierciach i 24-40 h dla drobiu i mięsa w kartonach.

WspWspóółczesne techniki zamrałczesne techniki zamrażżaniaania – tunele owiewowe – tunele owiewowe

WspWspóółczesne techniki łczesne techniki zamrazamrażżaniaania

• Postęp w konstrukcji tuneli owiewowych zmierza w kierunku wyrównania prędkości strumienia w całym przekroju i likwidacji stref martwych.

– W kategorii zamrażarek o działaniu okresowym nie ma gotowych, typowych rozwiązań. Ich kształt, wielkość i wydajność są indywidualnie dostosowywane do potrzeb i warunków lokalowych projektowanego zakładu.

Przestrzeń towarowa ok.40 m2

u = 2 - 3 m/s

T= - 40oC

Tm= - 30oC

Typowa zamrażarka tunelowa w chłodniach składowych starszego typu


Wprowadzenie do zamrażania fluidyzacyjnego• Gdy przez warstwę produktów rozłożonych na sicie

lub taśmie przedmuchuje się powietrze w kierunku z dołu do góry, to po przekroczeniu pewnej prędkości strumienia cząstki unoszą się, przechodzą w stan fluidalny, a cała warstwa zachowuje się jak ciecz.

• Jest to tzw. łoże fluidalne. Jeśli do łoża na jednym końcu dosypie się dodatkową porcję produktu, to popłynie on samoczynnie w kierunku drugiego końca, wyrównując poziom warstwy na całej jego powierzchni.



• Istnieje wiele metod przeciwdziałania deformacjom złoża. Najbardziej popularna jest metoda sztucznego ruchu poziomego warstwy. Rynna łoża lub, tylko jej dno jest zawieszone na wahaczach i podłączone do mechanizmu mimośrodowego, który wywołuje oscylacyjny ruch łoża.



• Rynna fluidalna z oscylującym dnem (wg prospektu firmy Frigoscandia)

• Innym rozwiązaniem jest zastosowanie pulsującego strumienia powietrza.

• Na wlocie lub wylocie wentylatorów są zainstalowane obrotowe przesłony, podłączone do wspólnego wału napędowego.

• Cykliczna pulsacja strumienia powietrza zapobiega tworzeniu się kanałów w warstwie.


• W najnowszych konstrukcjach stosuje się upust pulsacyjny.

• Przez parownik przepływa cały strumień powietrza, natomiast pewna część (ok. 10-15%) omija rynnę lub taśmę, płynąc przez upust z rotującą przesłoną.

• W ten sposób osiąga się dwa cele: pulsujący strumień i zwiększenie wielkości strumienia przepływającego przez parownik, co podwyższa jego efektywność. Wielkość strumienia płynącego przez upust można regulować, dostosowując go do zamrażanego produktu.


• Sytuowanie parowników pod taśmą lub sitem stwarza poważne problemy w eksploatacji:

–zanieczyszczanie cząstkami produktu i śmieciami wywiewanymi ze złoża.

–parownik trudno dokładnie wyczyścić i z biegiem czasu jego efektywność spada.

• W nowszych konstrukcjach parownik jest ustawiany obok ciągu taśm.


• Przepływ ciepła w procesach zamrażania fluidyzacyjnego jest bardzo intensywny. W stosunku do metod tradycyjnych (owiewowych) intensywność ta rośnie 30-100 razy.

Wynika to z:– wielkiego rozwinięcia powierzchni

czynnej – poprawy warunków przepływu ciepła i– czynnej różnicy temperatur


• W warstwie fluidalnej liczy się suma powierzchni wszystkich cząstek, co bardzo zwiększa wskaźnik powierzchni czynnej w metodzie fluidalnej w stosunku do metod tradycyjnych.

– Dla zielonego groszku wskaźnik ten wynosi 380-450 m2/m3,

– dla truskawek 120-150 m2/m3,

– dla wiśni 200-220 m2/m3.

• Przy zamrażaniu na tacach o wys. 50 mm, systemem owiewowym powierzchnia ta wynosiłaby ok. 40 m2/m3 (3-11 razy mniej).


• W praktyce realizuje się:– omrażanie w warunkach pełnej fluidyzacji

(około 30% czasu), – zamrażanie fluidyzacyjne lub

półfluidyzacyjne– oraz domrażanie w warstwie nieruchomej –

• taki schemat jest najbardziej uzasadniony ekonomicznie.


• Produkuje się 3 typy tuneli fluidyzacyjnych (rys. 3.45):

– rynnowe,– jednotaśmowe,– dwutaśmowe w układzie kaskadowym.


a - rynnowy, b - jednotaśmowy, c - dwutaśmowy w ukladzie kaskadowymł

a)


• Duża różnica temperatur w połączeniu z intensywnym parowaniem mokrej powierzchni produktu powoduje silne szronienie parownika.

• Wymaga to odszraniania co 6-7 h, a nawet częściej

• Odszranianie jest zwykle połączone z myciem całego tunelu, co trwa ok. 1 h i stanowi poważne zakłócenie w pracy zakładu.

• Była to poważna wada tych aparatów.


• W aktualnie produkowanej wersji Flo-Freeze pojedynczą rynnę zastąpiono dwoma taśmami z polimeru, o specjalnie ukształtowanej powierzchni.

• Zależnie od produktu taśmy mogą się przesuwać, przenosząc warstwę z ustaloną prędkością lub mogą być nieruchome, spełniając rolę rynny fluidalnej.

• Parowniki, usytuowane obok ciągu taśm, są odszraniane w sposób ciągły.

• Umożliwiło to wydłużenie efektywnego okresu pracy tunelu do 22 h/dobę.


WspWspóółczesne techniki łczesne techniki zamrazamrażżaniaania

Tunele jednotaśmowe• proste w konstrukcji i w obsłudze, • duża popularność wśród użytkowników. • wskaźniki techniczne są znacznie gorsze niż

w innych tunelach fluidyzacyjnych. • dają bardzo dobre wyniki przy zamrażaniu

malin. – Procent jagód nie uszkodzonych jest

stosunkowo duży (ponad 70%).

• Z uwagi na swą prostotę aparaty te nadają się do małych zakładów zamrażających sezonowo owoce lub wyroby kulinarne.


Tunele dwutaśmowe w układzie kaskadowym• Na taśmie I (omrażania) zamarza woda

powierzchniowa oraz cienka warstwa powierzchni cząstek.

• Na taśmie II (domrażania) następuje pełne zamrożenie produktu do temperatury od -18 do -20°C.

• Warunki pracy obydwu taśm różnią się (bardzo różny stan surowca).

– Ną taśmie I cząstki są mokre, lepkie, miękkie i podatne na uszkodzenia.

– Na taśmie II cząstki są suche i twardsze. – na I taśmie należy stosować większe szybkości strumienia

(bardzo łagodna fluidyzacja), a grubość warstwy nie powinna przekraczać 100 mm.

– Na taśmie II grubość warstwy może dochodzić nawet do 300 mm i proces przebiega zwykle w warstwie nieruchomej lub lekko spulchnionej.


Tunele stosowane w zakładach przemysłu owocowo-warzywnego mają deklarowaną moc zamrażalniczą 3-3,5 tony/h, przy 18-22 godzinach pracy na dobę. Wydajność zależy od rodzaju produktu.

produkt Współczynnik wydajności [%]

Groszek zielony 100

Fasolka szparagowa 90-95

Brukselka, kalafior 75-85

porzeczki 80Wiśnie 75-80

Truskawki 70Maliny 60


• Problemy zamrażania fluidyzacyjnego

• W praktyce zamrażalniczej pewne produkty określa się jako:

• łatwe (groszek, fasolka, marchew cięta, jagody, porzeczki, śliwki, wiśnie, agrest, frytki) - zamrażają się bez trudu w prawie wszystkich typach urządzeń

• trudne, głównie truskawki i maliny. - zamrażanie stwarza problemy, czasem trudne do pokonania

–Surowiec zamrażany w tunelach fluidyzacyjno-taśmowych silnie przywiera do taśmy, wskutek czego uszkadza się część owoców.

–Sama taśma silnie się zanieczyszcza.

–w czasie drugiej fazy mrożenia produkty te mają skłonność do tworzenia zlepieńców (i niedomrożenie końcowego produktu.).


• W zamrażarkach działających na zasadzie pełnej fluidyzacji (Flo-Freeze) owoce miękkie ulegają uszkodzeniom i deformacji na skutek działania silnego strumienia powietrza.

• Na powierzchni owoców tworzą się wgłębienia lub omrożenia w kształcie sęków i narośli - określa się je mianem "korali", "szyszek" itp.

• Procent zniekształconych owoców zależy głównie od jakości surowca i czasami przekracza nawet 30%.


• Przy bardzo miękkim i mokrym surowcu, w miejscu zasypu produktu na rynnę fluidalną tworzy się piramida, której strumień powietrza nie jest w stanie rozprowadzić na dalsze partie rynny.

• Surowiec osiada na perforowanym dnie i przymarza doń. Przymarznięty blok, złożony przeważnie z rozbitych owoców, musi być okresowo (co kilkanaście minut) odbijany od dna łoża, co jest uciążliwe i połączone ze stratami produktu.


• W zamrażarkach taśmowych starszego typu montowano dysze wstępnego podmuchu, których zadaniem było oderwanie mokrego surowca od taśmy tuż po wejściu do tunelu.

• System ten daje dobre wyniki tylko przy zamrażaniu surowca o dobrej konsystencji

–przy gorszej omrażanie taśm i straty surowca są znaczne. (zbyt krótki - kilkanaście sekund - czas działania podmuchu,)

–dla stworzenia glazury lodowej na powierzchni cząstek potrzeba więcej czasu.

• W nowych rozwiązaniach stosuje się bardzo łagodną, ale pełną fluidyzację na całej długości I taśmy.

–Czasami na pierwszym odcinku taśmy (w miejscu zasypu surowca) podmuch jest silniejszy, (co uzyskuje się za pomocą odpowiedniej perforacji sit pod taśmą).


• Stosuje się kaskadowy układ taśm, • W początkowej fazie omrażania taśma biegnie ze

spadkiem, którego nachylenie można regulować.– Cząstki produktu rozłożonego na taśmie, oderwane

od niej strumieniem powietrza, staczają się pojedynczo po pochyłości, omrażając się również pojedynczo.

– mniej więcej w 1/3 długości taśma I przechodzi przez specjalny układ prowadnic tworzących na niej "garb", łamiący zlepiającą się strukturę warstwy. Poszczególne cząstki oddzielają się i przez moment swobodnie fluidują, co zapewnia sypkość produktu końcowego.


• Znana jest również metoda wstępnego schładzania surowca (w wodzie lodowej lub powietrzem pobranym z przedniej strony tunelu), przed zamrażaniem.

– Wskutek obniżenia temperatury (do ok. 0°C) owoce stają się bardziej jędrne, bardziej odporne na uszkodzenia, a ponadto przyspiesza się znacznie proces omrażania.

• Według danych Frigoscandii uzyskano następujące korzyści z zastosowania schładzania:

– wzrost wydajności tunelu o ok. 25%,– 4-krotne zmniejszenie ilości owoców uszkodzonych

(korale, szyszki, zgniecenia),– zasadniczą poprawę wyglądu produktu,– wydłużenie okresu między kolejnymi odszronieniami

(na skutek wyrównania wilgotności powietrza w tunelu).


Documents

z3 ZAMRAŻALNICTWO