Холодильные становки

1.Введение.

Технология быстрой  заморозки, получившая сегодня большое  распространение в отечественной пищевой промышленности, предусматривает форсированное снижение температуры в морозильной камере, в которую заложены продукты, до -30...-40оС. Важным фактором при этом является принудительная циркуляция воздуха в камере. Такая технология более гигиенична и обеспечивает большую сохранность замороженных продуктов, чем другие способы консервирования. При быстрой заморозке клеточные ткани не деформируются, мгновенно пресекается жизнедеятельность всех типов бактерий. Кроме того, процесс занимает всего 20-35 минут и препятствует "усушке" продукта. Скороморозильные установки по принципу работы делятся на 4 группы: воздушные, бесконтактные, контактные и аппараты с использованием хладоносителя. Воздушные аппараты применяются для обработки мелкоштучных продуктов (пельмени, зеленый горошек, фасоль, ягоды, овощи) как россыпью, так и в расфасованном виде. Одной из разновидностей воздушных скороморозильных установок являются туннельные флюидизационные, в которых заморозка осуществляется помещением продукта в так называемый "кипящий слой" (мощный поток холодного воздуха). Такие аппараты чаще всего используются в автоматизированных производственных линиях. В настоящее время разработаны и модели малой производительности (50-300 кг/час). Аппараты бесконтактного замораживания предназначены для обработки мяса, субпродуктов, рыбы, фарша, рыбного филе и молокопродуктов (творог, масло) в брикетах и блоках. Особенно популярными являются модели для плиточной заморозки. Продукт, замороженный в такой установке, имеет правильную форму, что удобно для складирования и транспортировки. Вместо потока воздуха в бесконтактных аппаратах используется специальный хладагент с минусовой (-40оС) температурой кипения. Хладагент помещается в горизонтальные и вертикальные плиты, приводимые в движение гидроприводом. Продукты, находящиеся между плитами, благодаря контакту с ними подвергаются интенсивному охлаждению и одновременно формуются. Кроме плиточных аппаратов, существуют роторные (для охлаждения упакованных продуктов) и барабанного типа (для заморозки мелкоштучных либо жидких или влажных продуктов неправильной формы). Оборудование для контактной заморозки (криогенные, углекислотные и фреоновые аппараты) использует для охлаждения непосредственный контакт продукта с теплопоглощающей средой (жидкий азот, жидкий воздух, газообразный или твердый углерод, химически очищенный фреон R-12). Такие аппараты обеспечивают высокую интенсивность замораживания, технологичны. Однако в ряде случаев (например, в криогенных установках) структура охлаждаемого продукта может нарушиться. Аппараты с хладоносителями не имеют охлаждающей "летучей среды". Они не требуют герметичности в процессе заморозки, обладают малой металло- и энергоемкостью. Загрузка и выгрузка продуктов значительно облегчена. Все это оборудование прекрасно подходит для организации пищевых производств.

2.Литературный обзор.

Большинство пищевых  продуктов в процессе хранения может  подвергаться нежелательным изменениям. Чаще всего они вызываются микроорганизмами, под влиянием которых происходит распад сложных химических веществ. В результате появляются новые, более простые по составу вещества, обладающие неприятным вкусом и запахом. Консервируя пищевые продукты, можно прекратить или замедлить деятельность микроорганизмов, а также разрушить ферментную систему и таким образом предотвратить нежелательные изменения продуктов. Существует много методов консервирования. Выбор того или иного способа зависит от вида и свойства сырья, от назначения готового продукта.

При предварительном  быстром охлаждении и замораживании продуктов биохимические изменения в них протекают менее интенсивно, замедляется развитие микроорганизмов, прекращается ферментативная активность, уменьшаются потери влаги продуктом, сокращается естественная убыль и отходы, сохраняется качество продукции и увеличивается срок ее хранения. Чем меньше промежуток времени между сбором урожая и охлаждением и выше скорость последнего, тем ниже интенсивность качественных изменений. По ориентировочным международным расчетам, при существующем уровне техники только 25 ÷ 30 % выпускаемых скоропортящихся продуктов обеспечены холодильным оборудованием на отдельных этапах производства и реализации, в связи, с чем потери пищевых продуктов все еще очень высоки     20 ÷ 30 %.

Существующие в настоящее время способы охлаждения включают: воздушное охлаждение при естественной и принудительной циркуляции в камерах, гидроохлаждение, вакуумиспарительное охлаждение, охлаждение в среде жидкого азота. Воздушное охлаждение является одним из наиболее простых способов, легко осуществимых в условиях предприятия, имеющего холодильник. В камеру с температурой 0÷+5 ⁰С отдельными партиями загружают плоды и овощи, устанавливая после каждой загрузки температуру +4⁰С. После полной загрузки в камере устанавливается температура +4 ⁰С, а продукт приобретает необходимую температуру через 20 суток. Такой способ непроизводителен.

Существует ряд способов быстрого охлаждения продукта в потоке холодного  воздуха со скоростью 3 м/с при  температуре 0 ⁰С и относительной влажности 90 ÷ 95 %. В некоторых случаях используют передвижные воздухоохладители, изотермические вагоны (при перевозках на дальние расстояния), передвижные установки с единовременной загрузкой 5 ÷ 6 т. (в основном для ягод). Более равномерное температурно-влажностное поле воздуха в камере обеспечивает воздушно-экранная система охлаждения, разработанная в Кишиневском политехническом институте. Охлажденный воздух разделяют на два потока: один циркулирует под перекрытием камеры между двумя экранами, а второй – в грузовом объеме камеры. Циркуляция воздуха может быть естественной и принудительной.

При туннельном способе охлаждения ящики с продуктом помещают на поддоны, которые движутся в туннеле  на ленте конвейера и обдуваются холодным воздухом со скоростью 16 м/с.

Один из новых способов – охлаждение сжатым воздухом, нагнетаемым через плотно установленные в несколько рядов упаковки, открытые в сторону направления потока воздуха. Данный способ значительно сокращает продолжительность охлаждения и уменьшает потери массы. Гидроохлаждение применяется для интенсификации процесса и предусматривает опрыскивание продуктов холодной водой или их погружение в холодную воду, а также водные растворы соли или сахара. Жидкая охлаждающая среда значительно интенсифицирует теплообмен по сравнению с воздушным охлаждением. Например, при гидроохлаждении температура плодов снижается с 20 до 1,7 ⁰С за 45 мин, а при воздушном туннельном – с 20 до 3 ⁰С за 24 ч.

Вакуумное охлаждение впервые было применено в США в 1964 г. В настоящее  время этот способ широко распространен в США и все большее применение находит в Голландии, Швеции, Норвегии, Франции, Испании и Италии. Принцип вакуумного охлаждения основан на снижении температуры в результате испарения поверхностной влаги при давлении ниже давления насыщения. Данный способ наиболее эффективен для продуктов, имеющих большую поверхность испарения (петрушка, укроп, шпинат, салат и др.).

Для охлаждения продукты помещают в вакуумную камеру, где  вакуумными или пароэжекторными  насосами создается остаточное давление до 4,5 мм рт. ст. Для удаления откачиваемой насосом влаги используют охлаждаемые или неохлаждаемые ловушки. Способ обеспечивает большую скорость охлаждения (10÷15 мин). Испарение влаги на 1% от массы продукта приводит к снижению его температуры на 5,5 ⁰С. Максимальная потеря влаги при вакуумном охлаждении плодов и овощей в течение 15÷20 мин составляет 2,4 %, в то время как для достижения той же температуры при воздушном охлаждении в изотермических вагонах затрачивается несколько часов, а потеря влаги составляет 2,5÷3,5 %; при туннельном и камерном охлаждении она достигает 4 %.

Существует три разновидности  вакуумного охлаждения:

• охлаждение испарением под вакуумом поверхностной влаги (для лиственных овощей);
• охлаждение испарением под вакуумом влаги, приобретенной продуктом в результате опрыскивания его поверхности (свекла, морковь, картофель, яблоки и др.);
• охлаждение испарением под вакуумом воды, внесенной в камеру в лотках.

Предварительное смачивание продукта перед вакуумным охлаждением  дает возможность снизить его температуру до 0 ⁰С без потерь влаги самого продукта, т.е. естественная убыль может быть сведена к нулю.

В Болгарии проводились  исследования по охлаждению продуктов  в среде кипящего азота. Исследования показали, что температура продуктов  в данной среде понижается с большой скоростью – в среднем на 0,32 ⁰С в секунду. Установлены три фазы охлаждения:

• нормальная – от 0 до –133 ⁰С со средней скоростью понижения температуры до 0,38 ^0С в секунду;
• фаза ускоренного теплообмена – от –133 ⁰С до –190 ⁰С – обусловленного усиленной когезией и смачиванием поверхности металла жидким азотом, со средней скоростью 0,49 ⁰С в секунду;
• фаза достижения температурного равновесия – от –190 до –196 ⁰С – протекающая со средней скоростью 0,039 ⁰С в секунду.

Использование жидкого азота для перевозок свежих фруктов, овощей и других охлажденных грузов при температуре воздуха в кузове от 5 до 0 ⁰С может обеспечить существенный экономический эффект.

Охлаждение продуктов  и растительного сырья необходимо проводить по следующим направлениям:

• охлаждение с применением принудительной циркуляции воздуха, обеспечивающей быстрое снятие тепла по всему объему продукта для последующего хранения и промышленной переработки;
• вакуумное охлаждение с целью дальнейшего кратковременного хранения, транспортировки и сохранения исходного качества для продуктов с развитой удельной поверхностью;
• охлаждение скоропортящегося сырья для последующей транспортировки проводить в парах жидкого азота, для чего создать передвижные азотные станции;

Охлаждение всех видов скоропортящихся продуктов проводить непосредственно после сбора урожая на месте произрастания.

Основным физическим процессом, характеризующим замораживание  пищевых продуктов, является превращение  воды в твердую фазу, сопровождаемое понижением температуры всей системы и выделением теплоты льдообразования. Продолжительность замораживания зависит от применяемого способа замораживания, размера, формы, химического состава, физических свойств продукта и вида применяемого упаковочного материала. Например, тела в форме цилиндра и шара замораживаются в 2÷3 раза быстрее, чем в форме пластины. Основное внимание при выборе способа замораживания уделяется обеспечению необходимой скорости замораживания, эффективного понижения температуры внутри продукта до требуемого предела (минус 15, 18 ⁰С), сохранения высокого качества продуктов за счет уменьшения их усушки.

В настоящее время  в нашей стране и за рубежом  для замораживания продуктов  питания используются следующие  основные способы:

• конвективный (в интенсивном потоке холодного воздуха);
• контактный (путем непосредственного контакта продукта с охлаждающей средой и путем контакта с плитами, охлаждаемыми хладагентом);
• криогенный (с использованием жидкого азота, жидкого воздуха, жидкой или твердой углекислоты и др.).

Для осуществления указанных способов применяются разнообразные конструкции морозильных аппаратов.

Независимо от их типа и назначения они должны отвечать следующим требованиям: 

• большая скорость замораживания при условии равномерной теплоотдачи по всей поверхности продукта;
• хладоноситель, непосредственно соприкасающийся с продуктом, должен быть безвредным для продукта и обслуживающего персонала, не должен вызывать в продуктах неблагоприятных изменений и коррозии металлических узлов аппарата, находящихся в контакте с хладоносителем;
• универсальность оборудования (возможность замораживания разных видов продуктов);
• соблюдение нормативных санитарно-гигиенических условий;
• возможность применения оборудования в непрерывной поточной линии.

Конвективный способ замораживания является наиболее доступным и распространенным. В качестве хладагента используется атмосферный воздух, который нейтрален по отношению к замораживаемому продукту, не вызывает коррозии морозильного оборудования, для его получения не требуется дополнительных затрат. Температура воздуха достигает минус 30÷45 0С, а скорость 3÷16 м /с. Температура кипения хладагента минус 35÷50 0С. Аппараты для данного способа замораживания делятся на туннельные и камерные. В зависимости от способа перемещения продуктов различаются типы аппаратов: с тележками-стеллажами (циклические), конвейерные, карусельные, с вертикальным перемещением продукта на непрерывном конвейере (непрерывно действующие).

Недостатки установок:

• туннельного типа – сложность конструкций (вследствие применения конвейерных систем), необходимость использования оборудования для загрузки сырья и разгрузки замороженной продукции, потери холода, большой удельный расход электроэнергии;
• камерного типа – значительная продолжительность процесса замораживания, сложность автоматизации.

В туннельных аппаратах, предназначенных для быстрого замораживания  с применением способа JQF (Jndividual Quick Freeging), используется одновременный  эффект флюидизации и ленточного (сетчатого) конвейера. Флюидизация  позволяет разделять замораживаемые частицы с помощью воздушного обдува и интенсивного теплообмена, что не дает им возможности смерзания. Аппараты в основной своей массе имеют две зоны (конвейера). В первой происходит быстрое замораживание внешнего влажного, мягкого, легко повреждаемого продукта, и образовавшаяся замерзшая корочка («ледяная глазурь») в дальнейшем предохраняет продукт от смерзания, повреждения и применения к транспортирующему органу. Во второй зоне происходит домораживание продукта до конечной температуры. Аппараты этого типа имеют производительность от 0,2 т/ч до 12 т/ч и более (по зеленому горошку). Данные аппараты всех моделей обеспечивают: высокое качество продукта; быстрое замораживание (5÷10 мин) каждой частицы продукта, исключая его повреждение; отсутствие скапливания продукта; минимальные весовые потери продукта (в 2 раза меньше по сравнению с традиционными конвейерными аппаратами) в результате эффективного отвода тепла; свободный доступ для санобработки; возможность их использования в полностью механизированных линиях по производству быстрозамороженных продуктов растительного происхождения.