32. Физические основы концентрирования жидких пищевых продуктов вымораживанием. Технология производства: кристаллизация, сепарирование. Технологическая схема получения концентрированного сока

Концентрирование жидких пищевых продуктов является одним из способов консервирования, при котором наиболее полно сохраняются исходные свойства продуктов, повышается их устойчивость при хранении, сокращаются расходы на хранение и транспортирование. После восстановления содержания воды продукт фактически получается в первоначальном виде.

Пищевые продукты можно концентрировать выпариванием с улавливанием ароматических веществ или без него, вымораживанием, использованием обратного осмоса.

Выпаривание считается наиболее разработанным и экономичным методом концентрирования водных растворов. Однако при таком способе никогда не удается избежать уже при 50÷70˚С термического разложения некоторых компонентов, называемого ферментативными реакциями.

В процессе обратного осмоса теряется значительная часть ароматических веществ. Концентрирование вымораживанием имеет ряд преимуществ по сравнению с

другими методами, особенно для продуктов термолабильных или содержащих большое количество ароматических веществ. При низких температурах химическое и биологическое разложение пренебрежимо мало, легколетучие и ароматические компоненты сохраняются полностью, что обеспечивает высокое качество получаемого концентрата.

Концентрирование вымораживанием применяют при производстве медицинских препаратов, натуральных пищевых красителей, для опреснения соленой воды природных источников и пр.

Концентрирование вымораживанием осуществляют как самостоятельный процесс при производстве концентрированных пищевых продуктов, поступающих к потребителю, и как этап подготовки к сушке (сублимационной или распылительной).

Физические основы концентрированиявымораживанием

Процесс концентрирования вымораживанием состоит из двух основных этапов: кристаллизации и сепарирования. На первом этапе вымораживается часть воды из жидкого продукта. На втором этапе твердая фаза (кристаллы льда) отделяется от жидкой (концентрата). Для получения концентратов с высоким содержанием растворенных и сухих веществ процесс проводят ступенчато, с последовательным понижением температуры кристаллизации или используют метод рециркуляции

Кристаллизация

Цель кристаллизации – получение суспензии (кристаллы льда – концентрат), содержащей пригодные для разделения кристаллы размером 200÷400 мкм. По характеру образующейся кристаллической фазы различают массовую кристаллизацию и процессы с ограниченным фронтом кристаллизации. Отличительным признаком массовой кристаллизации является образование кристаллов в объеме раствора при его равномерном переохлаждении или пересыщении.

Величина и форма образующихся кристаллов зависят от степени переохлаждения смеси, условий теплоотвода, природы и концентрации растворенных веществ. При малом переохлаждении и медленном отводе теплоты образуются крупные кристаллы льда, имеющие меньшую удельную поверхность.

При значительном переохлаждении и быстром охлаждении раствора в нем образуются большое количество мелких кристаллов льда с повышенным содержанием

51

растворенных веществ. Массовую кристаллизацию можно проводить в аппаратах с отводом теплоты через теплопередающие поверхности, а также при непосредственном контакте раствора с хладагентом в аппаратах периодического или непрерывного действия. Процесс кристаллизации протекает при интенсивном перемешивании кристаллизующейся смеси и незначительных градиентах температуры, которые наблюдаются у охлаждающих поверхностей в пограничных слоях жидкости. В этих условиях кристаллы зарождаются и растут, чаще всего, в объеме раствора, но могут образовываться первоначально и на охлаждаемых поверхностях. Лед, намороженный на теплообменной поверхности, срезается скребками или ножом и смешивается с жидкой фазой, образуя суспензию.

Сепарирование

Сепарирование необходимо проводить без разбавления концентрата тающим льдом и без потерь сухих веществ. Совершенством процесса разделения льда и раствора определяется эффективность всего процесса концентрирования вымораживанием. Эффективность разделения суспензии зависит, в основном, от размеров кристаллов льда и вязкости концентрата.

Процесс отделения льда от раствора основывается на фильтрации раствора в пористом слое льда, который может быть образован в результате взаимодействия фаз, центрифугирования или прессования гетерогеннойсмеси.

При фильтрации, раствор удаляется из слоя и замещается в порах пресной водой. Процесс сопровождается тепло- и массообменном в жидкости и на поверхности раздела фаз.

Одним из наиболее эффективных устройств для сепарирования суспензии является противоточная промывочная колонна. Процесс сепарирования в ней состоит из двух этапов: отделения льда от концентрата и промывка уплотненного ледяного слоя промывочной водой. Лед отделяется от концентрата вследствие разности плотностей либо под воздействием внешнего давления. Ледяной слой промывается водой, полученной при плавлении льда, для смыва концентрата с поверхности кристаллов. Суспензия подается в нижнюю часть промывочной колонны. При движении смеси вверх образуется ледяной поршень (зона А). В зоне В концентрат удаляется через фильтрующую перегородку, а кристаллы поступают в зону промывки С. Смытый с поверхности льда концентрат выводится из аппарата через фильтр. Чистые кристаллы механически удаляются из зоны промывки и поступают в плавитель.

52

33. Понятия технологии, технологического процесса, технологического режима, способа производства, технологической схемы производства. Классификация технологических процессов. Сравнительные показатели способов производства

Технология – совокупность знаний о способах переработки природного сырья и материалов в предметы потребления и средства производства. Задачей технологии как науки является выявление физических, химических или механических закономерностей с целью определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных производственных процессов, требующих наименьших затрат времени и материальных ресурсов или улучшающих качество получаемого продукта.

Важнейшей задачей технологии является выбор способа производства, т.е. последовательного изложения процессов (операций), протекающих в соответствующих аппаратах в оптимальных условиях.

Основные показатели, характеризующие технико-экономическую эффективность того или иного способа производства, следующие:

1)выход и качество продукта;

2)удельный расход сырья иэнергии;

3)количество отходов производства, в том числе токсичных выбросов в атмосферу и со сточными водами;

4)интенсивность работы оборудования;

5)капитальные затраты на производство;

6)себестоимость продукции.

На основе анализа и сравнения этих показателей выбирают способ и схему производства.

Совокупность основных факторов (параметров), влияющих на скорость процесса, выход и качество продукта, называется технологическим режимом. Оптимальным значениям параметров технологического режима, как правило, соответствуют максимальная производительность оборудования и наилучшее качество получаемого продукта. Различают параметры независимые, которые могут изменяться независимо друг от друга, и зависимые, численные значения которых определяются величинами независимых параметров.

Технологические процессы проводятся периодически или непрерывно. В периодическом процессе исходные компоненты загружают в аппарат, где они реагируют либо подвергаются какому-либо воздействию, после чего полученные продукты выгружают и аппарат загружают вновь. Продолжительность полного

цикла производственного процесса определяется временем τц , ч:

τц = τ1 + τ2 + τ3 + τ, (1)

τ1 -время загрузки аппарата, ч; τ2 - время воздействия на компоненты или продукт, ч; τ3 - время разгрузки, ч;

τ4 - время подготовки аппарата к новой загрузке, ч.

При периодическом процессе все стадии протекают во всем объеме аппарата, но условия взаимодействия или обработки веществ внутри аппарата – температура, давление, концентрация и др. – изменяются во времени.

53

Внепрерывном процессе загрузка аппарата и выгрузка продукта протекают непрерывно. При этом все стадии процесса протекают одновременно, в разных точках объема аппарата температура, давление и другие параметры процесса остаются неизменными во времени.

Недостатком периодически действующих аппаратов является то, что они фактически простаивают во время загрузки, выгрузки и подготовки к новому циклу. Кроме того, температура и другие параметры процесса изменяются по сложному закону и для их регулирования требуется либо ручной труд, либо дорогостоящие средства автоматизации.

Применение непрерывных процессов позволяет значительно повысить производительность аппаратуры, облегчает автоматизацию и механизацию производства и дает возможность улучшить качество получаемых продуктов. Аппараты непрерывного действия компактнее периодически действующих аппаратов, требуют меньших затрат и эксплуатационных расходов. Благодаря этим достоинствам непрерывные процессы вытесняют периодические (последние применяются в настоящее время в основном в производствах небольшого масштаба и при большом ассортименте продукции, например, в производстве химических реактивов и особо чистых веществ).

Технологические процессы могут быть классифицированы и по другим признакам: - по сырью (технология переработки минерального, растительного,

животного и др. видов сырья); - по получаемым продуктам (технология химических удобрений,

красителей, пищевых продуктов, искусственного волокна ит.п.); - по фазовому или агрегатному состоянию реагирующих веществ (гомогенные

или однородные и гетерогенные или неоднородныесистемы); - по характеру протекания (экзотермические или эндотермические, т.е.

протекающие с выделением или с поглощением тепла); - по аппаратному оформлению; - по обратимости и т. д.

Последовательное описание или изображение процессов и соответствующих им аппаратов называется технологической схемой производства. Технологические схемы делятся па два типа: с открытой цепью (проточная схема) и циклическая (циркуляционная, круговая).

Всхеме с открытой цепью взаимодействующие массы проходят через аппараты лишь один раз. Если степень переработки исходного сырья в одном аппарате невелика, то приходится ставить последовательно большое количество однотипных аппаратов.

Циклическая схема предусматривает многократное возвращение в один и тот же аппарат взаимодействующих масс или одной фазы в гетерогенном процессе, вплоть до достижения заданной полноты процесса (например, степени превращения).

54