Művelettani Alapok I. Dr. Hodúr Cecilia

Műveletek - élelmiszeripari műveletek Összefüggő, tervszerű cselekmények sorozata Élelmiszeripari technológiákat fel-építő, különböző kö-zegek között létrejövő transzportfolyamatok. Művelettan célja:transzportfolyamatok tanulmányozása, a meghatározó paraméterek között fennálló matematikai összefüggések megismerése/megalkotása

Technológiai lépések SÖR aprítás főzés kilugzás erjesztés szűrés palackozás SAJT beoltás alvadék felvágás préselés sózás érlelés csomagolás KETCHUP aprítás főzés paszírozás bepárlás keverés csomagolás VIRSLI aprítás keverés töltés főző-füstölő hőkezelés csomagolás

Műveletek rendszerezése Impulzusátadási H őátadási Anyag átadási m űveletek APRÍTÁS SZ ŰRÉS SZITÁLÁS KEVERÉS ÜLEPÍTÉS PASZT ŐRÖZÉS BEPÁRLÁS F ŐZÉS FAGYASZTÁS KILUGZÁS SZATURÁLÁS SÓZÁS SZÁRÍTÁS

Művelettan története „An army marches on its stomach.” Nicolas Appert - zárt edényben melegítés William Anderwood - I.VH: dehidratáció II.VH:fagyasztva szárítás Koreai H:radiációs sterilezés, Hidegháború:Membrántechnika Űrkutatás: koncentrátumok, tabletták, MW

Művelettan jellemzői Dimenzió nélküli kifejezések Egyenértékű helyettesítési elv Félempírikus egyenletek

Dimenzió nélküli kifejezések Reynolds szám:

Froude szám: Euler szám

Származtatott kritériumok Galilei szám Archimedesi szám Grasshoff szám

Egyenértékű helyettesítési elv egyenértékű csőátmérő egyenértékű gömbátmérő egyenértékű csőhossz: nomogramból egyenértékű ülepítő felület:  egyenértékű szűrlettérfogat:V’

Idomok, szerelvények le [m] Belső átmérő [cm] 900-os könyök 0,56 2,24

Félempírikus egyenletek

Hidrodinamikai alapfogalmak

Fluidumok áramlása - alapfogalmak Stacionárius (stacioner) áramlás: vezeték tetszés szerinti keresztmetszetén az áthaladó fluidum mennyisége bármely időpillanatban állandó. Instacionárius (instacioner) áramlás: Térfogatáram (qV)[m3s-1]: egys. keresztmetszeten, egys. idő alatt átáramló fluidum térfogata Tömegáram (qm) [kgs-1]:- tömege

(Átlagos) áramlási sebesség (v)[ms-1]: Áramlási keresztmetszet:áramlás irányára merő- legesen vett metszék általános áramlási sebesség tartományok: folyadékoknál: 0,5 - 3 m/s viszkózus folyadékoknál: 0,5 - 1 m/s gázoknál kis nyomáson: 8 - 15 m/s telített vízgöznél: 20 - 30 m/s

Folytonossági tétel Anyagmegmaradás elvének alkalmazása zárt rendszerek esetén. A tömegáram állandó a vezeték bármely keresztmetszetén: ha a fluidum inkompressibilis:

Bernoulli egyenlet Elszigetelt rendszer (energetikailag zárt) esetén az áramló fluidum összes energiatartalma nem változik meg. Ideális fluidumnál: magassági energia + nyomási energia (=potenciális energia) + kinetikus energia = állandó

Reális folyadékok áramlása (surlódásos Bernoulli) A súrlódó erő ellenében a fluidumnak munkát kell végezni, ezért be kell vezetni a súrlódási veszteséget tartalmazó tagot.

Áramlási kép - Reynolds szám Lamináris (réteges) áramlás: fluidumrészecskék a csővezeték tengelyével párhuzamosan áramolnak Turbulens (gomolygó) áramlás: a részecskék a haladó mozgáson kívül keresztirányú rendezetlen örvénylő mozgást is végeznek.

Reynolds szám határértékei

Anomális, nem-Newtoni folyadékok  Binghami: Newtoni: 0 Pseudoplastikus: Dilatáló: dv/dx

 dv/dx

Határréteg- és filmelmélet vmax vmax LAMINÁRIS TURBULENS

Szemcsés halmazok Homodiszperz Polidiszperz, heterodiszperz Izometrikus Anizometrikus Porozitás Szfericitás

Szitaanalízis Kumm. R% tömeg 1,3 10,23 4,0 30,07 7,5 56,3 10,4 78,1 1,3 10,23 4,0 30,07 7,5 56,3 10,4 78,1 12,1 90,9 13,3 100 Részecske méret [mm] (0,71+0,63)/2=0,67 (0,63+0,56)/2=0,59 (0,508+0,56)/2=0,53 (0,508+0,455)/2=0,48 (0,455+0,40)/2=0,427 (0,40+0,35)/2=0,375 m[g] 1,3 2,7 3,5 2,9 1,7 1,2 0,710mm 0,630mm 0,562mm 0,508mm 0,455mm 0,400mm 13,3 0,35

Testek mozgása fluidumban Fköz.ell. Ffelhajt Fgrav

 ü 24/Re 0,5 0,44 1 Re 0,6 600

Ülepítés gravitációs erőtérben Kármán módszer átmérő kiszámítása ülepedési sebesség kiszámítása

Nomogram ü/Reü üReü2 102 1 10-2 10-4 Re

Együtt ülepedés lamináris tartományban: turbulens tartományban

Ülepedés nem végtelen térben falhatás szomszédos testek kölcsönhatása

Gravitációs ülepítők ülepítő kád keményítőgyári ülepítő csatorna Dorr ülepítők Mezőhegyesi ülepítő cukorgyári meszes iszapos lé (60 m3 hengeres tartály, központosan elhelyezett terelőkúpokkal, az iszap a kúpok palástján lesüllyed az edény aljára Dorr ülepítő

Centrifugálás Sűrűségkülönbségen alapuló, centrifugális erőtérben végrehajtott szétválasztási művelet Felosztása: Nem-elegyedő folyadékok szétválasztása Tisztításnál – szilárd részecskék eltávolítása pasztőrözés előtt Fölözés - Savó elválasztás Baktofugás kezelések Nedves zsírolvasztás Szuszpenziók szétválasztása Centrifugális szűrés

d = 3 µm = 3˙106 m,  =980 kg/m3 tej = 1028 kg/m3,  = 1,42˙10-3 Pas fordulatszám: 5 400 min-1, a centrifugacső sugara: 0,2 m a centrifugális gyorsulás értéke (r˙2) 63955,78 ms-2

z=j= jelzőszám= A centrifuga kapacitása (térfogatárama): qV = A j vü = vü  = egyenértékű ülepítő felület: annak a fiktív gravitációs ülepítőnek a felülete, melynek kapacitása megegyezik a centrifuga kapacitásával.

Centrifuga típusok Szakaszos üzemű centrifugák ülepítő és szűrő, merev tengely, alsó hajtás függő centrifugák (cukor kristály – zöld szörp) hámozó centrifugák Folytonos üzemű centrifugák dekanterek (zsír, olaj, kávé-,tea kivonatok, tejcukor, sör, bor) Derítő és emulzióbontó centrifugák szupercentrifuga (emulzióbontás, derítés, j=13-17 000) kamrás centrifuga tányéros centrifuga (fölözők) j=4-8000

Kosaras-csigás prés 1 – garat, 2 – préscsiga, 3 – perforált lemez, 4 – csigatengely, 5 – kosár, 6 – torlókúp, 7 – kézikerék, 8 – aprítókés

Adott méretű és üzemi paraméterek mellett működtetett fölöző esetében számítsuk ki: az ülepedési sebességet, az egyenértékű ülepítő felületet és a térfogatáramot. A kúpos rész belső átm.:120 mm Tejszín sűrűsége.980 kgm-3 Fölözött tej sűrűsége:1028 kgm-3 Viszkozitása:0,002 Pas Tejzsírcseppek átmérője: 3 µm Fordulatszám. 6000 min-1 Tányérok távolsága:1,5mm Dobátmérő:350 mm Tányérszám:30 Tányérok félkúpszöge:50°

Préselés – lényerő sajtolás művelete a sejtnedv és a zúzással feltárt sejtek nyomóerő hatására történő szétválasztása melegítés, aprítási fok, enzimes kezelés, antioxidánsok olyan szűrés, ahol a szűrőnyomás a szilárd fázisra hat és a szűrlet a nyomóerő irányára merőleges v.arra ellentétes irányban áramlik lékihozatali %:

 p idő

Présberendezések háromtálcás csomagprés (konzervipar) hidraulikus/pneumatikus kosaras prés (gyümölcslé) folytonos szalagprés csigás sajtó (növényolajipar)

Szűrés művelete Hidrodinamikai szétválasztási művelet, a szuszpenziók, ködök, füstök porózus közegen történő áramoltatással történő szeparálása.

Szűrőközegek Rácsok Szemcsés halmazok Szűrő szövetek Szűrő papírok Szűrő lapok Porózus testek Membránok

Szűrőszövetek áter. visszat. Iszap eltömőd. Vászon rossz jó nehéz nagy Sávoly Atlasz áter. visszat. Iszap eltömőd. kép. kép. eltáv. hajlam Vászon rossz jó nehéz nagy Sávoly közepes közepes közepes közep Atlasz jó rossz könnyű kicsi

Szűrőpapírok, szűrőlapok Azbeszt és cellulóz szálakból préselt lapok, finom és csírátlanító szűrésre alkalmasak. E, K3, K5, EK Kovaföld, cellulóz és műanyag szálak keverékéből préselt lapok Aktiv szenes lapok

Azbeszt és cellulóz keverék

Membránok Cellulóz acetát ( 0,2 m) Nucleopore membrán

Szűrési típusok Felületi Mélységi Iszaplepény

Szűrési segédanyagok Kovaföld (diatóma föld): kovamoszatok elhalt váza, szilícium tart.85-90%, Perlit:vulkanikus eredetű, Al, Na és K tartalmú kőzet, Azbeszt: szálas-kristályos anyag, Cellulóz: Bentonit:

Leválasztási mechanizmusok

A szűrés elmélete Kapillárisban történő áramlás: Hagen- Poiseuille törvény: Darcy törvény: Összevetve: K: permeabilitás (darcy) 1/K=R: ellenállás

R = Rm + Ri V’: Egyenértékű szűrlettérfogat r: fajlagos lepényellenállás [mkg-1] c: egys.térf.szűrletből kiül. szuszp. tömege[kgm-3]

F: p = konstans - az egyenlet integrálható rc és V’ szűrési állandók meghatározása:

A rendszer inhomogenitásainak megszüntetése Keverés művelete Az egyik komponens másikban történő diszpergálása, eloszlatása kényszerített áramoltatás útján. A rendszer inhomogenitásainak megszüntetése

Keverés teljesítményszükséglete d n P – teljesítményszükséglet kgm2s-3  - folyadék sűrűsége  - folyadék viszkozitása H b D

geometriai hasonlóság esetén

Eukev Fr 10 103 Rekev

Lapkeverők - kavarók kis fordulatszám, radiális áramlást tangen-ciális áramlás követ – melegítés, oldás d/D = 0,5 horgony, rácsos, kalodás, ujjas, lapát

Propeller keverők 2-3-4-6-szárnylapát mértani csavarfelület viszonylag nagy fordulatszám d/D = 0,25 erős axiális áramlást idéznek elő – nagy folyadéktömeg mozgatása, tölcsér képződés megakadályozása – ütköző elemek - excentrikus elrendezés

Turbina keverők agyra vagy tárcsára sugár irányba, vagy görbe mentén felszerelt lapátok nagy nyíróerő érhető el – emulgeálás, diszpergálás d/D = 0,33

Nagyviszkozitású anyagok keverői Térfogatkiszorításos keverők bolygó keverő csigás keverő d/D = 0,3 – 0,6 szalag keverők: d/D = 0,9 dagasztók

Szemcsés anyagok keverői dobkeverők csigás keverők szalagos keverők

Sztatikus keverők

Homogénezés 1900 Párizsi Világkiállítás:„noncreaming” milk kettős művelet:diszperz rész aprítása egyenletes eloszlatás berendezéstípusok:nagynyomású rotor-sztator (kolloid malom) ultrahangos

Emulgeáló szerek Természetes E-számok kazein – kazeinátok lecitin, kefalin,zselatin keményítő E-számok E353 metabórkősav E354 Caborát E470a Na,K,Ca zsírsav sói E472b,c Tejsavas és citromsavas észterek mono és diglicerid zsírsavakkal E477 propane-1,2 diol zsírsav észter

Homogénezés előnyei, hátrányai ELŐNYÖK nincs felfölöződés tetszetősebb fehér szín gyorsabb koaguláció kisebb oxidációs hajlam teltebb íz HÁTRÁNYOK nem fölözhető a tej napfényre érzékeny- fémes íz lipáz érzékenység fehérjék alacsony hőstabilitása

Mechanikai műveletek Aprítás művelete

Aprítás: anyag felbontása apróbb részekre, részecskeméret csökkentése Célja: előkészítés – hőkezelés végső forma kialakítása választékbővítés

méretcsökkenés: deformáció – törés (mechanikai ellenállás legyőzése) Mohs skála: zsírkő gipsz kalcit kalcium fluorit apatit ortoklász földpát kvarc topáz korund gyémánt aprító erők: nyomó vágó nyíró ütő nem mechanikai

Élelmiszeripari anyagok aprítása mechanikai tulajdonságok jelentősen változnak, pl. víztartalom függvényében aprítási munkát kisérletileg kell meghatározni az aprítási energia az anyag deformálásához és az új felület létrehozásához szükséges energia összege

Kemény, erő törékeny:cukor kemény, erős, nyújtható:kakaó kemény, törék. gyenge:szárítm. lágy, gyenge,nyúlós:hús lágy, gyenge, törékeny: olajpogácsa E R Ő S F K E M É NY GY EN GE L Á GY dl

Aprító berendezések

Nyolcas hengerszék 1 – garat, 2 – adagoló henger, 3 – elő-őrlőhenger, 4 – tolattyú, 5 – mágnes, 6 – középhenger, 7 – etetőhenger, 8 – késhenger, 9 – tartály, 10 – keverő kar, 11 – középhenger, 12 – etetőhenger, 13 – lehúzó-henger, 14 – lehúzó-kés, 15 – gyűjtőtartály, 16 – keverő, 17 – kézikerék

Száraztisztítási eljárások szitálás koptatás, hántolás tarározás

Nedvestisztítási eljárások áztatás permetező mosás flotációs mosás ultrahangos tisztítás

Fluidizációs mosógép 1 – rácsozat, 2 – mosókád, 3 – ventilátor, 4 – szállítószalag, 5 – zuhanyozó, 6 – leeresztőcsap, 7 – gépváz, 8 – tisztítónyílás, 9 – légelosztócső, 10 – porlasztófejek, 11 – hajtómű, 12 – légbefúvócső, 13 – túlfolyócső

Szétválasztási műveletek alak méret súrlódás rugalmasság mágnesesség szín

Dobrostás kakaóbab tisztító és osztályozó 1 – kihordószalag, 2 – légcsatorna, 3 – terelőlemez, 4 – hasábszita, 5 – tengely, 6 – lemezszekrény, 7 – hajtómű, 8 – befúvócső, 9 – garat, 10 – ventilátor, 11 – jobboldali kifolyócső, 12 – baloldali kifolyócső, 13 – magtörmelékgyűjtő, 14 – porgyűjtő, 15 – kőleválasztó

Huzalos, vastagság szerinti osztályozó 1 – garat, 2 – terelőlap, 3 – vezetősín, 4 – hajtómű, 5 – terelőkerék, 6 – gépváz, 7 – műanyagelemes huzal, 8 – termékgyűjtő, 9 – huzalfeszítő

Méretnövelő műveletek sajtolásos tömörítés pelletálás granulálás tablettázás agglomerálás – instantizálás

Sajtolásos tömörítés kollerek: síktárcsás matrica, körbenjáró görgők befolyásoló tényezők: szemcseméret összetétel nedvességtartalom kotő- és segédanyagok görgők mérete és száma matricatárcsa átmérője, nyílások száma préscsatorna nyílások hossza, átmérője, geometriai alakja

agglomerálás - instantizálás tejpor, levesporok, kávé, kakaó, ....... újranedvesítés – ütköztetés –csomók kialakulása - szárítás – méret szerint osztályozzák stabilizáló erők: szilárd hidak folyadék hidak van der Waals kötőerők elektrosztatikus kötőerők