Operaia de concentrare i conservare a unor produse alimentare prin evaporare

Timioara2015

Cuprins

Operaia

3

Aparatele pentru operaia de concentrare i conservare a unor produse alimentare prin evaporare

5

Elemente de dimensionare

7

Bibliografie

12

Operaia de concentrare i conservare a unor produse alimentare prin evaporare

Operaia este o etap distinct a unui proces tehnologic. O operaie este alctuit din mai multe faze.Evaporarea (vaporizarea) reprezint operaia de transfer termic, care presupune aducerea lichidului n stare de vapori, ndeprtarea i condensarea vaporilor formai. Transformarea din stare lichid n stare gazoas se face cu aport de cldur. Aceasta poate proveni de la o surs extern sistemului considerat sau din interiorul acestuia. n cazul sursei externe de cldur, nclzirea se poate face direct cu gaze calde (operaia de uscare) sau indirect la temperaturi mai mici dect temperatura de fierbere (operaia de vaporizare) sau la temperatura de fierbere (operaia de fierbere). n cazul aportului intern de cldur, acesta se datoreaz destinderii la presiune joas (operaia de vaporizare parial).Evaporarea se realizeaz n urmtoarele scopuri: asigurarea conservabilitii produselor alimentare, economie de spaii de depozitare i de manoper necesar pentru manipulare i transport. Prin vaporizare se ndeprteaz parial apa din produs i crrete astfel coninutul de substan uscat.Teoria cinetic a vaporizrii se poate explica astfel: prin nclzire, moleculele fazei lichide i mresc energia. Moleculele cu energie mai mare pot nvinge forele de atracie ale moleculelor vecine i trec n faz gazoas. Cu creterea temperaturii se mrete i numrul de molecule cu energii mari, capabile s nving forele de coeziune. Din faz gazoas, moleculele cu energii mai mici trec n faz lichid, condensndu-se. Sistemul lichid vapori atinge o stare de echilibru static, caracterizat printr-o concentraie a vaporilor, sau o presiune parial, a crei valoare depinde de natura substanei i de temperatur. Cnd aceast presiune parial devine egal cu presiunea total la care se gsete lichidul, se produce fierberea.Funcie de gradul de concentrare se deosebesc:- semiconcentrate (cu 30 50% substan uscat) produse cu stabilitate redus necesit aplicarea unui procedeu suplimentar de conservare (de exemplu congelare sau pasteurizare pentru sucuri de fructe semiconcentrate sau sterilizare pentru past de tomate, lapte concentrat);- concentrate propriu-zise (cu coninut minim de 65% substan uscat) produse stabile n timp, pentru care se recomand rcirea rapid la 20C i pstrarea la temperaturi de 2C.Funcie de sensibilitatea la concentrarea prin vaporizare, produsele alimentare fluide se mpart n:- produse cu coninut ridicat de proteine deoarece majoritatea proteinelor din produsele alimentare sunt sensibile la temperaturi peste 65C, la operaia de concentrare prin vaporizare nu trebuie s se depeasc aceast temperatur, iar durata de meninere s fie ct mai scurt;- produse cu arome termosensibile (sucuri de fructe) nainte de concentrare se aplic recuperarea aromelor;- produse cu coninut ridicat de glucide (sirop de porumb,extracte de mal) produse ce conin i hidrolizate proteice, aminoacizi, care favorizeaz reaciile de mbrunare, de aceea se recomand s nu se depeasc temperatura de 70C, iar timpul de concentrare s fie ct mai redus.n industria alimentar se folosesc mai ales instalaii de concentrare prin vaporizare sub depresiune, care prezint i avantajele determinate de temperaturile mai joase de fierbere: pierderi mai mici de cldur n exterior, menajarea substanelor termolabile, productivitate mai mare prin creterea diferenei dintre temperatura aburului primar i temperatura lichidului de fierbere, economie de metal prin micorarea presiunii necesare agentului termic.Tendinele actuale privind concentrarea produselor alimentare sunt: temperatur de concentrare redus: pentru protejarea substanelor termosensibile din produsele alimentare (proteine, vitamine, substane de arom), temperatura de concentrare nu trebuie s depeasc 60C, dect scurt timp; durat redus de meninere n contact cu suprafaa de transfer (presupune utilizarea instalaiilor de evaporare ce asigur concentrarea la o singur trecere); diferen de temperatur util mic se realizeaz prin utilizarea concentratoarelor ce asigur valori ridicate pentru coeficientul total de transfer termic (concentratoare cu circulaie forat, concentratoare cu film descendent).Instalaiile de concentrare prin vaporizare se utilizeaz n urmtoarele ramuri ale industriei alimentare: industria zahrului pentru fierberea sucului de zahr i transformarea n sirop; industria amidonului pentru evaporarea extractului de porumb, a siropurilor de melas; industria laptelui pentru creterea densitii laptelui i zerului; industria conservelor pentru obinerea sucurilor concentrate de fructe, pentru obinerea gemurilor, umpluturilor de bomboane.Dup modul de nclzire, evaporatoarele se clasific n: evaporatoare nclzite cu cldur solar; evaporatoare cu focar direct de nclzire; evaporatoare cu serpentine de nclzire sau manta cu abur; evaporatoare cu sisteme tubulare de nclzire.n industria alimentar se utilizeaz cu precdere ultimele dou grupe de evaporatoare.Concentrarea produselor alimentare lichide, soluii sau suspensii, se realizeaz n dou scopuri: asigurarea conservabilitii produselor prin eliminarea unei cantiti de ap (micorarea activitii apei). Pentru o bun conservabilitate concentratul trebuie s aib 65% substan uscat. Economisirea de energie n cazul n care concentratul se supune uscrii concomitent cu o cretere a eficienei instalaiilor de uscare, n special n ceea ce privete capacitatea de producie.Concentrarea trebuie realizat astfel nct s se menin valoarea nutritiv a produsului, s nu modifice proprietiile senzoriale (gust, miros, culoare), inclusiv s nu se ajung la denaturarea proteinelor i la depunerea lor sub form de precipitate.Realizarea acestor deziderate este posibil prin optimizarea relaiei timp temperatur, alegerea tipului de concentrator depinznd n mare msur de natura produsului supus concentrrii.Conservarea prin frig a produselor alimentare are la baz principiul anabiozei procedeele de conservare prin frig fiind psihroanabioz (refrigerarea i depozitarea n stare refrigerat) i crionabioza (congelarea i depozitarea n stare congelat).Refrigerarea este caracterizat prin rcirea produsului la temperaturi cuprinse de regul ntre 0 i 4o C i chiar mai mult. Refrigerarea produce: ncetinirea dezvoltrii microflorei provenite din contaminri interne i externe; reducerea vitezei reaciilor hidrolitice i oxidative catalizate de enzime; diminuarea unor procese fizice.Congelarea este caracterizat prin scderea temperaturii produsului sub 0o C (n general aproape de -18o C) putndu-se realiza o durat de conservare de cteva luni i chiar mai mult. Congelarea produce: blocarea multiplicrii microorganismelor i distrugerea unor germeni sensibili; oprirea celor mai multe dintre reaciile biochimice.

Aparate pentru operaia de concentrare i conservare a unor produse alimentare prin evaporare

Instalaia EVAPAC:Fig. 1 Instalaie de concentrare EVAPAC.

Pentru concentrarea produselor termosensibile rezultatea foarte bune se obin prin instalaia EVAPAC (Fig. 1 ) care se preteaz la concentrarea sngelui i plasmei sanguine, proteinelor vegetale, sucurilor de fructe i legume, concentrarea realizndu-se pn la 45% substan uscat. Consumul de enrgie este de ~ 120 kWh/ton de ap evaporat. Instalaia EVAPAC este format din concentratorul 1, n care se aduce soluia de concentrat, fluidul de nclzire fiind vapori de NH3 comprimai cu ajutorul compresorului 2. Lichidul concentrat este separat de vapori n separatorul 3, concentratul fiind eliminat cu pompa 4. Vaporii de ap din separatorul 3 sunt compui la condensatorul evaporator 5, care este pus sub vid cu pompa 6. Pentru rcirea acestui aparat se folosete NH3 lichid. Condensatorul este evacuat cu pompa 7. Vaporii de NH3 rezultai n evaporatorul 5 sunt trimii la separatorul de picturi 8 i de aici sunt comprimai i adui n concentratorul 1. NH3 lichid separat este redus n condensator evaporator 5. NH3 condensat n condensatorul 1 este redus n condensatorul evaporator 5 dup ce treece n aparatul de deten 9.

Concentratorul cu circulaie forat CENTRI THERM:

n fig. 2 se prezint concentratorul cu circulaie forat CENTRI THERM Alfa Laval, utilizat pentru lichide termosensibile (sucuri de fructe, lapte, etc.). Principiul constructiv funcional al acestuia este urmtorul: soluia diluat se alimenteaz printr-un racord i datorit forei centrifuge, imprimat de rotirea rotorului, se repartizeaz sub forma unei pelicule pe suprafee tronconice. Componenta principal a utilajului o constituie rotorul format din elementele tronconice ordonate pe un ax vertical. ntreg ansamblul este nchis ntr-o carcas. Fiecare element tronconic are perei dubli pentru a delimita spaiul aburului folosit ca agent termic.

Fig. 2 Concentratorul cu circulaie forat CENTRI THERM

Elemente de dimensionare

Evaporarea cu simplu efectEvaporarea cu simplu efect (evaporarea simpl) const n fierberea soluiei pn la atingerea concentraiei dorite. Operaia poate fi discontinu sau continu. Evaporarea simpl discontinu decurge n regim nestaionar, alimentarea cu soluie diluat n evaporator i evacuarea soluiei concentrate din acesta se face periodic.Evaporarea simpl continu decurge n regim staionar, concentraiile, temperaturile i debitele fiind constante n timp. Alimentarea cu soluie diluat n evaporator i evacuarea soluiei diluate din acesta se face continuu.

Bilan de materiale

Pentru ntocmirea bilanurilor de materiale pentru un evaporator, se folosesc urmtoarele notaii:

S = cantitatea sau debitul soluiei diluate; Sdizolvant = cantitatea sau debitul de dizolvant din soluia diluat; Sdizolvat = cantitatea sau debitul de dizolvat din soluia diluat; V = cantitatea sau debitul de vapori secundari; Vdizolvant = cantitatea sau debitul de dizolvant n vaporii secundari; Vdizolvat = cantitatea sau debitul de dizolvat n vaporii secundari; P = cantitatea sau debitul de produs; Pdizolvant = cantitatea sau debitul de dizolvant n produs; Pdizolvat = cantitatea sau debitul de dizolvat n produs.

Cu aceste notaii se ntocmesc urmtoarele bilanuri de materiale: bilanul total:

S = V + P(V.1)

bilanul soluiei diluate:

S = Sdizolvant + Sdizolvat (V.2)

bilanul vaporilor secundari:

V = Vdizolvant + Vdizolvat (V.3)

bilanul produsului:

P = Pdizolvant + Pdizolvat (V.4)

bilanul dizolvantului:

Sdizolvant = Vdizolvant + Pdizolvat (V.5)

bilanul dizolvatului:

Sdizolvat = Vdizolvat + Pdizolvat (V.6)

Diferitele concentraii procentuale rezult din urmtoarele relaii:

concentraia dizolvatului n soluia diluat:

(V.7)

concentraia dizolvantului n soluia diluat:

(V.8) concentraia dizolvatului n vaporii secundari:

(V.9)

concentraia dizolvantului n vaporii secundari:

(V.10)

concentraia dizolvatului n produs:

(V.11)

concentraia dizolvantului n produs:

(V.12)

Bilan termic

Deducerea bilanului termic, respectiv determinarea cldurilor care intr i ies dintr-un evaporator, se fac cu ajutorul schemei din figura V.1. S-au folosit urmtoarele notaii:

Qa = cldura adus, n unitatea de timp, de aburul (primar) de nclzire (aburul saturant); Qs = cldura adus, n unitatea de timp, de soluia diluat; Qe = cldura ieit, n unitatea de timp, cu vaporii secundari, rezultai din evaporarea (concentrarea) soluiei; Qp = cldura ieit, n unitatea de timp, cu produsul (soluia concentrat); Qc = cldura ieit, n unitatea de timp, cu condensatul.

Figura V.1 Schi pentru ntocmirea bilanului termic

Cldurile enumerate anterior se determin cu relaiile:

- cldura adus, n unitatea de timp, de aburul (primar) de nclzire (aburul saturant):

(V.13)

n care: Qap- debitul aburului primar; hap- entalpia aburului primar;

- cldura adus, n unitatea de timp, de soluia diluat:

(V.14)

n care: S- debitul soluiei diluate; hs- entalpia soluiei diluate; cs- cldura specific a soluiei diluate; ts- temperatura soluiei diluate;

- cldura ieit, n unitatea de timp, cu vaporii secundari, rezultai din evaporarea (concentrarea) soluiei:

(V.15)

n care: V- debitul vaporilor secundari; hv- entalpia vaporilor secundari; cv- cldura specific a vaporilor secundari; tE- temperatura din evaporator;

- cldura ieit, n unitatea de timp, cu produsul:

(V.16)

n care: P- debitul produsului; hp- entalpia produsului; cp- cldura specific a produsului; tE- temperatura din evaporator;

- cldura ieit, n unitatea de timp, cu condensatul:

(V.17)

n care: C- debitul condensatului, egal cu debitul aburului primar Qap; hc- entalpia condensatului.

Cu ajutorul expresiilor acestor clduri i al schemei din figura V.1 se ntocmete bilanul termic (suma cldurilor intrate n evaporator este egal cu suma cldurilor ieite din evaporator):

(V.18)

(V.18)

Pentru componentele soluiei iniiale, ntre capacitile calorice exist relaia:

(V.19)

Din relaia (V.19) rezult un alt mod de exprimare a cldurii ieite, n unitatea de timp, cu produsul Qp:

(V.20)

Relaia (V.18) devine:

(V.21)

sau

(V.21)

sau ntr-o alt exprimare:

(V.21)Se definesc:

coeficientul de evaporare , ca raport ntre cldura lsat n evaporator de ctre unitatea de mas de abur primar i cldura necesar pentru vaporizarea unei uniti de mas n condiiile din evaporator :

(V.22)

coeficientul de autoevaporare , ca raport ntre cldura adus de unitatea de mas din soluia iniial cnd trece de la temperatura de intrare n evaporator la temperatura din acesta i cldura necesar pentru vaporizarea unei uniti de mas n condiiile din evaporator:

(V.23)

Coeficientul de evaporare reprezint numrul de kilograme de dizolvant evaporate de 1 kg de abur primar, iar coeficientul de autoevaporare - numrul de kilograme de dizolvant evaporate de 1 kg de soluie diluat.

Cu relaiile (V.22) i (V.23), expresia (V.21) devine:

(V.24)

Din relaia (V.24) rezult debitul aburului de nclzire Qap:

(V.25)

Aburul de nclzire care se condenseaz cedeaz cldura

(V.26)

care se transmite lichidului de fierbere

(V.26)

prin suprafaa de nclzire de arie A:

(V.26)

unde k reprezint coeficientul de transmitere a cldurii, explicat n capitolul I.

Bibliografie1. Banu Constantin Manualul inginerului de industrie alimentar, Volumul II. Editura Tehnica.2. Bratu Emilian Operaii i utilaje n industria chimic. Volumul II. Editura Tehnica, Bucureti.3. Teodor Trac Operaii i aparate n industria alimentar.

12