ОТХВ (курс лекцій)2012

речовин сумарний осмотичний тиск визначається сумою молекулярних концентрацій компонентів. Молекулярна маса компонентів не має значення. У біологічних рідинах, що являють собою складну комбінацію молекулярних, іонних та колоїдних розчинів, осмотичний тиск визначається сумарною концентрацією частинок – осмотичною концентрацією.

Осмотичні явища відіграють важливу роль у життєдіяльності організмів. Клітинна оболонка є напівпроникною мембраною, тому такі явища, як плазмоліз та плазмоптиз (зменшення та збільшення вмісту клітин), підтримання тургору (напруги всередині клітини), клітинний обмін речовин за природою є осмотичними. Такі процеси харчових виробництв, як соління, консервування, заморожування у розсолах чи сиропах пов’язані з дифузійними та осмотичними процесами. Їх регулювання дозволяє одержати продукт високої якості.

Рис. 3. Осмотичні процеси у тваринній клітині: а – плазмоптиз (поглинання води клітиною, поміщеною у дистилят); б – плазмоліз (втрата води клітиною,

поміщеною у концентрований розчин)

Колоїдно-дисперсні системи мають відносно малу стійкість. Якщо під впливом якихось факторів міцели одержують можливість дотикатися, то вони об’єднуються, утворюючи крупніші частки. Цей процес зветься коагуляцією. Їй сприяють всі явища, що викликають зменшення електричного заряду часток (наприклад адсорбція електролітів) чи їх водної оболонки (наприклад введення у дисперсне середовище речовин, що утворюють гідрати). Також коагуляція може відбуватися внаслідок механічного перемішування, зміни концентрації, нагрівання, охолодження, заморожування, під впливом світла та інших факторів.

Під час коагуляції полідисперсних золів спочатку коагулює грубодисперсна фаза, а потім високодисперсна. Міра коагуляції різних складових продуктів залежно від різних способів заморожування та зберігання за низьких температур визначає придатність певних методів теплового чи холодильного оброблення.

Колоїдні розчини мають схильність до піноутворення. Піни являють собою концентровані емульсії газів (табл. 2). Для утворення піни у розчині мають бути присутніми речовини, що сприяють цьому – піноутворювачі – розчини яких є поверхнево активними: органічні кислоти та їх солі (наприклад мило), колоїди

11

(білки, пектин). Стійкість піни залежить від міцності адсорбційної плівки, створеної піноутворювачем. У випадку колоїдних піноутворювачів стійкість піни зростає зі збільшенням їх концентрації. Випаровування у відкритій посудині зменшує стійкість піни.

У харчовій технології піноутворення спостерігається під час оброблення молока, пива, заморожування риби у розсолі тощо. Тут воно найчастіше шкідливе, бо не дозволяє повністю використовувати об’єм місткостей, ускладнює експлуатацію обладнання та дотримання санітарних умов.

Для боротьби з піноутворенням використовують піногасники – речовини, що витісняють з поверхневого шару піноутворювач і знижують міцність плівки, внаслідок чого вона руйнується. До піногасників відносяться етиловий спирт, жирні кислоти та деякі інші речовини.

1.4. Теплофізичні властивості харчових продуктів

Для теплотехнологічних розрахунків найважливішими є теплофізичні властивості продуктів, що залежать від їх хімічного складу, температури та деяких інших параметрів:

–густина, ρ, кг/м3;

–питома ентальпія, h, Дж/кг;

–питома теплоємність, с, Дж/(кг·К);

–коефіцієнт теплопровідності, λ, Вт/(м·К);

–коефіцієнт температуропровідності, а, м2/с.

Слід пам’ятати, що всі властивості продукту істотно залежать від його складу: вологості, жирності та ін.

Густина продуктів визначає масу одиниці об’єму продукту. Вимірюється в кг/м3, кг/дм3, г/см3 або в т/м3. Густина одного й того ж продукту може значно відрізнятися, залежно від способу його оброблення, температури, вологовмісту тощо. Більшість продуктів (наприклад зерно чи цукор) є поруватими системами, тобто містять частки продукту і повітря. У такому разі густина не може бути визначена однозначно – густини частки та повітря значно відрізняються. Тому для розрахунку бункерів для зерна, силосів для цукру та подібних об’єктів використовують насипну густину, що враховує порожнини між частками.

Питома теплоємність продукту визначає, яку кількість теплоти (у Дж) слід підвести до 1 кг (масова теплоємність) або на 1 м3 продукту (об’ємна теплоємність), щоб нагріти його на 1 К. Її визначають за довідниками або дослідним шляхом. Продукти умовно вважають двокомпонентними системами, що містять воду та сухі речовини, тому їх питому теплоємність можна наближено визначити за формулою

c = cвW + cс(1 – W)	(2)
де W – вологовміст продукту, кг/кг; св, сс – питомі теплоємності відповідно води
(4,19 кДж/(кг×К)) та сухих речовин (для більшості	продуктів тваринного
	12

походження лежить у межах 1,34...1,68 кДж/(кг×К), рослинного – близько 0,91 кДж/(кг×К)).

Питома ентальпія (тепловміст) продукту характеризує енергію, що доступна для перетворення у теплоту за певних температури і тиску. Питому ентальпію вимірюють у кДж/кг. Її значення приймають рівним нулю при певній температурі (як правило, –20°С). Користуючись для розрахунків даними з різних джерел, слід переконатися, що початок відліку ентальпій у цих джерелах збігається.

Коефіцієнт теплопровідності продукту визначає, який тепловий потік (у Вт) може пройти крізь одиницю площі (1 м2) шару продукту товщиною 1 м, якщо створити на його протилежних поверхнях різницю температур 1 К. Коефіцієнт теплопровідності харчових продуктів можна наближено визначити за формулою

λ = λw + λс(1 – W), (3)

де λw – коефіцієнт теплопровідності води, що дорівнює 0,60 Вт/(м·К); λс – коефіцієнт теплопровідності сухих речовин, що дорівнює 0,26 Вт/(м×К). У діапазоні температур 0...30°С теплопровідність продукту змінюється незначно, а після заморожування значно зростає, бо теплопровідність льоду у чотири рази вища, ніж у води.

Коефіцієнт температуропровідності (м2/с) – відношення коефіцієнта теплопровідності до об’ємної теплоємності – характеризує швидкість поширення у продукті температурного фронту.

а = λ/сρ,

(4)

де λ – коефіцієнт теплопровідності продукту, Вт/(м×К); с – питома теплоємність продукту, Дж/кг К; ρ – густина продукту, кг/м3.

Коефіцієнти теплопровідності та температуропровідності використовують для розрахунку теплофізичних процесів: нагрівання, охолодження.

Для розрахунку процесів заморожування та розморожування харчових продуктів важливою є кріоскопічна температура – температура початку замерзання води, розчину або рідкої фази продуктів (тканинного соку), що є складним колоїдним розчином. Для дистильованої води кріоскопічна температура дорівнює 0°С, але наявність розчинених речовин знижує її, тому для харчових продуктів значення кріоскопічної температури перебуває у межах –0,5...–5°С.

Для розрахунку масообмінних процесів, зокрема висушування та зволоження використовують ізотерми сорбції та десорбції – графіки вологовмісту продукту (W), залежно від відносної вологості (φ) повітря, що їх оточує при певній температурі (рис. 4).

13

Рис. 4. Ізотерми сорбції (1) та десорбції (2) для картоплі при 20ºС

Запитання для самоперевірки

1.Чому вміст води істотно впливає на термін зберігання продукту?

2.Яку функцію у організмі людини виконують білки? У яких харчових продуктах міститься велика кількість білків? Що таке денатурація?

3.Яку функцію у організмі людини виконують жири? У яких харчових продуктах міститься велика кількість жирів?

4.Яку функцію у організмі людини виконують ферменти та вітаміни? Чому важливо зберегти максимальний вміст вітамінів у продуктах?

5.Що таке колоїдні системи? У чому полягає їх відмінність від механічних сумішей та розчинів?

6.Що таке осмос? За рахунок чого створюється осмотичний тиск?

7.Які теплофізичні властивості продуктів важливі для теплотехнологічних розрахунків? Як їх визначають?

14

2. ОСНОВНІ ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ХАРЧОВИХ ВИРОБНИЦТВ

2.1. Технологічний ланцюг та його складові

Технологія виготовлення будь-якого продукту містить ряд послідовних операцій, тому її часто описують у вигляді технологічного ланцюга (рис. 5).

Рис.5. Загальний вигляд технологічного ланцюга.

Сировина – це матеріал, з якого виготовляють кінцевий продукт. Для вироблення продукту зазвичай потрібно декілька видів сировини. Наприклад, сировиною для вироблення хліба є борошно, вода, сіль, дріжджі.

Матеріали, що вже пройшли певні технологічні операції, але ще не є продуктом (наприклад тісто або фарш) називають напівфабрикатами або напівпродуктами. Харчові підприємства іноді реалізують напівфабрикати у торгівлю. Це робиться для спрощення та прискорення приготування кінцевого продукту у споживача. Для подовження зберігання напівфабрикати можуть заморожувати (пельмені, вареники). Також заморожують і готові страви – тоді перед вживанням їх слід розморозити та розігріти.

На багатьох технологічних операціях утворюються відходи – залишки матеріалів, рідини, гази та ін. Прикладами відходів харчових виробництв можуть бути соняшникове лушпиння, обрізки тіста, буряковий жом, стічні води тощо. Сучасні технології передбачають якнайповнішу утилізацію відходів: додавання обрізків у тісто, використання обрізків від вафель для приготування начинки, подрібнення жил та шкіри до суспензії і додавання до фаршу, виготовлення кісткового борошна та ін. По-перше, це дає змогу частково замінити первинну сировину, а по-друге – зменшити навантаження на довкілля від відходів. У деяких випадках відходи однієї галузі можуть бути сировиною для іншої. Так з сушеного бурякового жому, макухи та інших складових виготовляють комбікорм, а з цукрової патоки – спирт.

Технологічний ланцюг складається з технологічних операцій. Технологічні операції – це будь-які дії, спрямовані на виготовлення продукту. Для здійснення технологічних операцій зазвичай необхідне технологічне обладнання: місткості, підігрівники, подрібнювачі, різноманітні апарати та ін. Тривалість технологічної

15

операції може бути різною – від часток секунди (штампування, опромінення) до декількох років (витримування коньячних спиртів у діжках).

За своєю природою технологічні операції можуть бути різними: механічні (змішування, збивання, нарізання), теплові (охолодження, нагрівання, випарювання тощо), фізичні (опромінення, магнітне оброблення), хімічні (сатурація, сульфітація, додавання консервантів), мікробіологічні (бродіння сусла, визрівання сиру) та інші.

2.2.Теплові технологічні операції

Основними об’єктами вивчення теплотехнології та холодильної технології є теплові технологічні операції. Під час планування та проведення таких операцій слід:

1)зменшити витрату теплової енергії чи штучного холоду (а отже палива чи електроенергії);

2)оптимізувати перебіг теплових технологічних процесів для підвищення їх ефективності;

3)забезпечити надійність і безпечність експлуатації обладнання.

Для теплоенергетика найважливішим показником ефективності теплових

технологічних операцій є витрата теплової енергії чи палива (за годину, добу, місяць, рік).

Але підприємство може працювати нерівномірно, виробляти різну кількість продукції і відповідно споживати різну кількість енергії у різні місяці. Тому вводять інший показник – питому витрату теплової енергії чи палива (на одиницю виробленої продукції чи переробленої сировини).

Витрати теплової енергії та палива визначають за фактом (зі звітів підприємств) або розраховують з теплових балансів підприємств. Теплові баланси підприємств складають на базі теплових балансів окремих технологічних ліній та апаратів. Для складання теплових балансів апаратів та ліній слід знати, які процеси на них відбуваються і яка витрата теплової енергії необхідна для проходження цих процесів. Розглянемо детальніше основні теплові технологічні процеси.

Нагрівання – найпоширеніший тепловий технологічний процес. Його мета – підвищити температуру речовини для:

-полегшення механічного оброблення та транспортування (зменшення в’язкості, плавлення);

-оптимального перебігу (або навпаки уникнення) фізичних, хімічних, мікробіологічних процесів (зокрема під час пастеризації чи стерилізації);

-отримання продукту з новими властивостями (плавлений сир)

-для інших потреб.

Для нагрівання слід підвести до продукту теплову енергію безпосередньо

від нагрівного середовища (наприклад гарячого повітря у сушарці чи димових

16

газів у печі) або у теплообмінних апаратах різних типів: змішувальних або поверхневих (змійовикових, кожухотрубчастих, пластинчастих та інших).

Необхідна витрата теплової енергії для нагрівання (у кВт) визначається за однією з формул:

Q = G·c·(t2 – t1)+Qвтр	(5)
або
Q = G·(h2 – h1)+Qвтр ,	(6)

де G – витрата речовини, кг/с; с – питома теплоємність речовини, кДж/(кг·К); t1 , t2

– відповідно початкова та кінцева температури речовини, К або ºС; h1, h2 – відповідно початкова та кінцева ентальпії речовини, кДж/кг; Qвтр – втрати теплоти у апараті, кВт (залежать від його конструкції).

Якщо під час нагрівання відбувається фазовий перехід (зазвичай плавлення), то необхідна витрата теплової енергії для нагрівання (у кВт)

визначається за формулою:
Q=G×[cрт×(tпл – t1)+rпл +cpp×(t2 – tпл)] + Qвтр,	(7)

де G – витрата речовини, кг/с; срт , срр– питомі теплоємності речовини відповідно у твердому та у рідкому стані, кДж/(кг·К); t1 , t2 – відповідно початкова та кінцева температури речовини, К або ºС; tпл – температура плавлення речовини, К або ºС; rпл – питома теплота плавлення речовини, кДж/кг; Qвтр – втрати теплоти у апараті, кВт.

Оберненим процесом до нагрівання є охолодження. Його мета – знизити температуру речовини для оптимального перебігу (або навпаки уникнення) фізичних, хімічних, мікробіологічних процесів, зокрема для подовження зберігання. Для зниження температури теплоту слід відвести. У харчовій промисловості використовують багато способів охолодження:

-у повітрі (рухомому і нерухомому);

-у воді чи льодоводяній суміші (зрошення, занурення);

-повітряно-зрошувальне (комбінація двох попередніх способів);

-льодом, що тане;

-контактне (на охолодженій металевій поверхні чи між двома поверхнями);

-вакуумне (вода, випаровуючись з продукту під вакуумом відводить теплоту);

-у теплообмінних апаратах.

Необхідна витрата штучного холоду для охолодження, кВт:
Q = G·c·(t1 – t2)+Qтн	(8)
або
Q = G·(h1 – h2)+Qтн ,	(9)

де G – витрата речовини, кг/с; с – питома теплоємність речовини, кДж/(кг·К); t1 , t2

– відповідно початкова та кінцева температури речовини, К або ºС; h1, h2 – відповідно початкова та кінцева ентальпії речовини, кДж/кг; Qтн – теплонадходження з довкілля до апарата, кВт (залежать від конструкції).

17

Випарювання передбачає нагрівання речовини вище температури кипіння. Його мета – зменшити вміст води чи іншого розчинника у речовині для:

-отримання розчиненого компонента (цукру, солі, олії тощо);

-отримання розчинника у чистому вигляді (дистиляція);

-компактності під час зберігання чи перевезення (згущене молоко, концентровані соки).

Випарювання проводять у випарних апаратах та установках, найчастіше під вакуумом для зниження температури кипіння і зменшення розкладення речовини

Необхідна витрата теплової енергії для випарювання, кВт:

Q = G·[c·(tкип – t1)+(1 – СР1/СР2)·r] +Qвтр (10)

де G – витрата речовини, кг/с; с – питома теплоємність речовини, кДж/(кг·К); t1 – початкова температура речовини, К або ºС; tкип – температура кипіння речовини у апараті, К або ºС; СР1 , СР2 – відповідно початковий та кінцевий вмісти сухих речовин, %; r – питома теплота випаровування розчинника, кДж/кг; Qвтр – втрати теплоти у апараті, кВт (залежать від його конструкції).

Висушування також має на меті видалення води з речовини, але без нагрівання до температури кипіння (висушування фруктів, риби, молока та ін.). Висушування проводять у сушильних установках (сушарках), найчастіше під вакуумом, щоб знизити температуру сушіння і зменшити розкладення речовини.

Якщо не можна нагрівати речовину навіть до температури вакуумвисушування (45...60ºС), зокрема для вироблення медпрепаратів, то для видалення води застосовують сублімаційне висушування. Для цього речовину заморожують до температур –25... –50ºС, а потім під високим вакуумом (2...500 Па) проводять сублімацію льоду – перехід з твердого до газоподібного стану (5...20 годин) до вологовмісту 1...3% (теплота необхідна для цього підводиться інфрачервоним чи НВЧ-випромінюванням). Висушений продукт одразу герметично пакують у металізовану плівку, щоб захистити його від впливу світла, вологи та кисню з повітря. Перевагою сублімаційного висушування є практично повне збереження складу та харчової цінності сублімованого продукту, зберігаються навіть корисні мікроорганізми та білкові речовини у нативному стані. Крім того, сублімований продукт може зберігатися протягом 1...3 років за температур 18...20 ºС, тобто без застосування штучного холоду. На жаль, поширення сублімаційного висушування стримують великі витрати енергії на низькотемпературне заморожування та вакуумування, що значно здорожує процес.

Необхідна витрата теплової енергії для сушіння, кВт:

æ	(W1 - W2 )×r	ö
ç		÷	+ Qвтр
	(100 - W )
Q = G ×çc×(tc - t0 )+		÷		(11)
è	2	ø

де G – витрата речовини, кг/с; с – питома теплоємність речовини, кДж/(кг·К); t0 – початкова температура речовини, К або ºС; tс – температура сушіння речовини, К або ºС; W1 , W2 – відповідно початковий та кінцевий вологовмісти речовини, %; r

18

– питома теплота випаровування води за тиску у апараті, кДж/кг; Qвтр – втрати теплоти у апараті, кВт (залежать від його конструкції).

Специфічними технологічними процесами харчових виробництв є варіння, обжарювання та смаження.

Мета варіння – проходження потрібних змін у сировині (зміна жорсткої структури тканин, денатурація білків, плавлення жирів, розкладення целюлози тощо) та перехід поживних речовин у рідину. Для цього витримують сировину при температурі близько 100ºС у киплячому рідкому середовищі (воді, молоці, сиропі тощо) чи у насиченій водяній парі. При цьому випарена вода найчастіше конденсується та повертається у середовище (бульйон). В деяких випадках варіння ведуть без кипіння при зниженій температурі на водяній бані (яєчна каша, яєчно-масляні соуси і т.д.) або при підвищеному тиску в автоклавах (варіння кісток). Якщо потрібно виварити з сировини більше барвних, смакових, ароматичних і поживних речовин, її нарізають на шматки. І навпаки, якщо треба щоб сировина зберегла максимальну соковитість, її кладуть у воду ненарізаною. На харчових підприємствах варіння проводять у варильних котлах, чанах, вакуумвипарних апаратах, а також у пароварочних камерах. Через те, що варіння є періодичним процесом, може тривати різну кількість часу, має багато різновидів, витрату теплоти на варіння визначають з теплового балансу апарата.

Під час обжарювання (смаження) продукт нагрівають до температур 170...210ºС з жиром без додавання рідини. Жир захищає продукт від пригоряння, забезпечує рівномірне нагрівання, поліпшує смак страви, підвищує її харчову та енергетичну цінність. Обжарюванням також називають нагрівання у жаровнях та витримування при температурах 150...210ºС олієвмісного насіння (соняшникового, ріпакового), горіхів, зерен (кава) чи бобів (какао) для руйнування клітинних оболонок та полегшення виходу олії та ароматичних речовин. На харчових підприємствах обжарювання проводять у чанах з паровими оболонками чи у багаточанних жаровнях, де сировина перемішується і поступово пересипається з верхнього до нижчого чану. Для розрахунку витрати теплової енергії на обжарювання насіння, горіхів тощо можна використовувати формулу для витрати теплової енергії на сушіння (11).

2.3. Матеріальні і теплові баланси та їх складання

Необхідні витрати теплової енергії для теплових технологічних процесів визначають з теплових балансів відповідних технологічних апаратів чи ліній, що складаються на базі матеріальних балансів.

Матеріальний (тепловий) баланс – рівняння чи система рівнянь, що ілюструють закон збереження маси (матеріальний баланс) або енергії (тепловий баланс) для апарата, технологічної лінії чи підприємства в цілому. Об’єкт, для якого складається баланс називають блоком.

Вихідними даними для складання теплового балансу для блоку є:

19

1)витрати всіх потоків сировини, напівфабрикатів, продуктів, що входять чи виходять з блоку (визначаються з матеріального балансу);

2)питомі ентальпії речовин, що зазначені у п. 1 або дані для їх розрахунку;

3)дані про кількості теплоти, що виділяються чи поглинаються внаслідок хімічних, біохімічних, біологічних процесів всередині блоку;

4)дані для розрахунку тепловтрат.

Для визначення витрат всіх потоків сировини, напівфабрикатів, продуктів слід скласти матеріальний баланс апарата. Його можна складати як для всіх потоків речовин, так і для окремих складових (наприклад вологи, жиру, сахарози).

Насамперед слід виділити блок. На рис 6 наведені схеми блоків для складання різних матеріальних та теплових балансів.

		а							б
		Випарена					Випарена
							волога, wвип
	волога, wвип									Волога у
				Яєчний
Меланж						Волога у				яєчному
				порошок		меланжі				порошку
	mм			mяп		Wмmм				Wяпmяп
			в						г

Рис.6. Схеми блоків для складання матеріальних балансів: а – теплообмінника “рідина-рідина”; б – очищувача меланжу; в, г – сушарки меланжу.

Після виділення блоку розглядають всі потоки речовини, що входять до блоку і виходять з нього та прирівнюють їх суми. Наприклад, для поверхневого теплообмінника “рідина-рідина” (рис. 6, а) потоки рідин G1 і G2 на вході і виході однакові, тоді рівняння матеріального балансу:

ìG1	= G1	(12)
í	= G2
îG2

У рівнянні теплового балансу для теплообмінника “рідина – рідина”

20