Élelmiszeripari műveletek

Az élelmiszeriparban felhasznált anyagok csoportosítása: Halmazállapot szerinti csoportosítás: -gázok -folyadékok Newtoni kis konzisztenciájú nagy konzisztenciájú -szilárd anyagok lágy kemény

A nyersanyagok jellemzése: Gázok: nem túl jelentősek, a reális gázok is közelíthetőek az ideálisra vonatkozó törvényszerűségekkel. Folyadékok: A szállíthatóság szempontjából lényeges tulajdonság a viszkozitás, a folyadékok belső súrlódása. A vizes közegek áramoltathatósága () Ahol  az un. dinamikai viszkozitás [Pas] A dinamikai viszkozitás és a sűrűség hányadosa a kinematikai viszkozitás  [m2/s] Azon folyadékokat melyek nem a Newtoni módon viselkednek, anomálisnak nevezzük.

Az anomális folyadékok esetén a viszkozitás nem a sebesség gradienstől, hanem pl. a sebességtől, időtől, előzetes mechanikai hatásoktól, készülék paraméterektől is függ. Anomális folyadékok Időtől független Időtől függő Szilárd testhez hasonló Binghami v. plasztikus Tixotróp Maxwelli Pseudoplasztikus Rheopektikus Dilatáló

Binghami v. plasztikus az a folyadék amely egy kezdeti o áramoltató erő hatására megindüló áramlás után Newtoniként viselkedik. Jellemző képviselőik: paszták, pépek, tortakrém, csokoládémassza Pseudoplasztikus folyadékok már kis erő hatására is áramolni kezdenek, de a csúsztató feszültség és a sebesség gradiens aránya nem állandó, hanem függ a sebesség gradiens nagyságától is. A sebesség gradiens növelésével a látszólagos viszkozitás csökken. 0 n 1 Jellemző képviselőik: paradicsompüré, majonéz, gyümölcsvelők. Nagy áramlási sebességnél a hosszabb lácok rendeződve kisebb ellenállást képviselnek Dilatáló anomális folyadék esetében a sebesség gradiens növekedtével a látszólagos viszkozitás nem csökken, hanem nő! Jellemző képviselőik: keményítő szörp, gumiarábicum, kristályosított cukor anyalúgban Nagy sebességű áramlásnál már kevés a folyadék (szuszpenziók), nő a súrlódás, nő a látszólagos viszkozitás.

Időtől függő anomális folyadékok: Tixotróp folyadékok: az idő előre haladtával (a hatás folyamatos megléte mellett) a látszólagos viszkozitás csökken, a folyékonyság nő. Jellemző képviselőik: aludttej, kefír, vaj, zselék, ketchup, festékek Rheopektikus anomális folyadékok: viselkedésük ellentétes a tixotróp folyadékokkal Jellemző képviselőik: a habok. - Szilárd testhez hasonló v. Maxwelli folyadék: rugalmas és viszkózus tulajdonságokkal egyaránt rendelkezők. Jellemző képviselőik: a tészták

Szilárd anyagok (élelmiszer iparban fontos) tulajdonságai: sűrűség, egységnyi térfogatú anyag tömege [kg/m3] Alak szerint: izometrikus ill. anizometrikus, az az a tér három irányában kiterjedése azonos-e v. nem Méret szerint: homodiszperz v. heterodiszperz attól függően, hogy a halmaz szemcséi azonos v. nem azonos méretűek. Homodiszperz, izometrikus halmaz esetén a részecskék méretét, míg egyéb esetben az un. egyenértékű gömbátmérőt (de) kell ill. lehet meghatározni. ahol m jelenti n db részecske tömegét Heterodiszperz rendszereknél szitaanalízis: szitasorozat segítségével közel homodiszperz frakciók előállítása, tömegükkel való súlyozás után jutunk az átlagos szemcsemérethez ( ):

Nyersanyagok Késztermékek

Folyadékok szállítása csővezetékekben: tömegáram: zárt rendszer esetén az anyagmegmaradás törvénye értelmében nem változhat (qm, [kg/s]) A tömegáram az áramlási sebesség (v), az áramlási keresztmetszet (A) és a sűrűség () szorzata v1A1 1=vnAn n A sebesség (v) és az áramlási keresztmetszet (A) szorzat a térfogatáram (qv, [m3/s]) Összenyomhatatlan folyadékok esetén 1= 2 v1A1 =vnAn Tehát az áramlási sebesség és keresztmetszet fordítottan arányos Az áramlási viszonyok jellemzése egy dimenzió nélküli szám a Reynolds szám segítségével történik, ami a tehetetlenségi erő, és a súrlódási erő hányadosa:

A vezetékben uralkodó áramlási viszonyok a Reynolds szám nagysága szerint: 2300> lamináris 2300> <10000 átmeneti 10000< turbulens Re Ismeretére a tervezés ill rendszer működési energia igénéyek számításánál van szükség

Bármely fluidum szállítási költsége a beruházási és szivattyúzási költségek összege. Cél: optimalizálás, költség minimalizálás. A beruházási költségek a szállító cső átmérőjének növekedtével nőnek, míg a fajlagos energia költségek csökkennek.

Tisztítási előkészítő műveletek: - Száraz tisztítási műveletek szitálás: szemcseméret szerinti elválasztás, de igen jól használható az eltérő (részecske) szemcseméretű szennyezők elválasztására. Eszközei: forgó dobszita, és az un. Binder szita koptatás, hántolás: a szemcséket egymáshoz ill. a berendezés falához dörzsölve a szennyezés eltávolítható, ezután valamilyen elválasztási művelet általában szükséges. A lekoptatott szennyező szemcsemérete igen kicsi  porrobbanási veszély! Eszközei: dobsziták, dörzskorongok, dörzskefék tarározás (szelezés): az elválasztás alapja az anyagok eltérő aerodinamikai viselkedése.

-Nedves tisztítási eljárások: Előnyök: nagy hatékonyság, detergens és fertőtlenítőszer is használható Hátrányok: magas vízigény, sok szennyvíz, a nedves felület romlása gyorsabb  szárítás is kell áztatás: sima falú fém, beton kádak, perforált fenékkel. Az áztató víz és az áztatandó anyag egymással szemben mozog, a leáztatott szennyező-dés a kád alján ürül. permetező mosás: gyakori módszer, hatékonysága függ a permet víz nyomásától, mennyiségétől, hőmérsékletétől, a tisztítandó anyag és a permetvízsugár távolságától. A hatékonyság a nagy nyomás - kevés víz esetén a legjobb. Érett gyümölcsök esetén korlátozottan alkalamazható. flotációs mosás: alapja az alkotók eltérő nedvesedési képessége. A jól nedvesedők általában sűrűségük miatt leülnek, a kevéssé nedvesedők nem süllyednek le. Lamináris áramlású kádakban bukógátak alkalmazásával lehet a komponenseket felülúszókét ill. fenék termékként szétválasztani. Az elválasztás hatékonysága fokozható habosító alkalmazásával és levegő befúvással. ultrahangos tisztítás:16 kHz-nél nagyobb frekvenciák (20-100kHz) –az emberi fül számára ez már nem érzékelhető- vízben olyan gyors nyomásváltozásokat okoznak, mely buborékképződéssel és szétrobbanással jár. Ez a kavitáció ill. dekavitáció energia felszabadulást jelent, mely a vízbe merült részecskék agresszív mozgását eredményezik.

Részecskeméret változtatása (csökkentése) Aprítás, őrlés: nyíró, hajlító erőhatások okozta méretcsökkenés. Energia igénye az szemcseméret csökkenéssel exponenciálisan nő! Eszközei: golyós és rudas malmok (bélés és őrlőtest elsősorban porcelán), kalapácsos malmok, hengerszékek, kolloid malmok A kilépő anyag szemcsemérete ill. eloszlása függ a tartózkodási időtől, malom fordulatszámtól, kilépőrés méretétől. Az eloszlás egyenletessége növelhető a terhelés csökkentésével. Optimalizálás! Fő felhasználók: gabonaipar, takarmány gyártók, extrudált késztermékek előkészítése, paprika őrlemények, kávé, kakaó, só, fűszerek stb.

Szétválasztási műveletek Az iparágba bekerülő nyersanyagok osztályozás, válogatás, fajtázás után kerülhetnek feldolgozásra. - az apró borsó főzési ideje kisebb mint a nagy szeműé, - a gabonák feldolgozása előtt az ép és töredezett szemeket szét kell válogatni, - az apró uborka értéke nagyobb, a gurulós málna kelendőbb stb. Méret szerinti válogatás: osztályozás, fajtázás. Osztályozás esetén azonos fajtájú alkotók méret szerinti válogatása történik, a fajtázás esetén több komponensű anyagi halmazok fajta és egyben esetleg méret szerinti elkülönítése történik.

Alak szerinti válogatás: Eszköze a triőr, tárcsás v hengeres. Működésének lényege: a felületen gömbszerű bemélyedések, amikbe a gömb alakú szemek beülnek, és a forgó mozgás során magasabb, (más) helyre kerülnek mint az eltérő alakú szemek. Szín szerinti válogatás: A berendezések központi eleme egy fotocella mely analizálja a válogatni kívánt termékről visszaverődő fény intenzitását ill. hullámhosszát. Általában pneumatikus szelepet vezérel, ami a nem kívánatos részt eltávolítja.

Súrlódási tényező szerinti válogatás: Eszköze egy csigás triőr, függőlegesen beállítva. Az anyag fent kerül beadásra, lefele áramlása során eltérő sebességre tesz szert, aminek oka eltérő súrlódási tényezője. A jobban felgyorsult –kis súrlódású- részek a berendezés tengelyétől távolabb, míg a nagyobb súrlódási tényezőjű –lassabb- részek a tengelyhez közelebbi helyen távoznak a berendezésből. Sűrűség különbség szerinti szétválogatás: A szétválasztás történhet gravitációs erő hatására  gravitációs ülepítés centrifugális erő hatására  centrifugálás

Gravitációs ülepítés: Olcsó, széles körben alkalmazott módszer, hátránya nagy időigénye Az ülepedés sebessége egyenesen arányos az ülepítendő részecske átmérőjével, az ülepítő közeg és a az ülepedő részecske sűrűség különbségével, és fordítottan arányos a közeg viszkozitásával Centrifugálás: Centrifugális erőtérben végzett mechanikai szétválasztás. Intenzifikáló eljárás, a centrifugális erőtér r2 –el arányos ereje nagyobb mint a nehézségi erőtér g-vel arányos ereje. Az r2 /g viszonyszám a centrifuga jelzőszáma, mely megmutatja, hogy hányszor nagyobb erőt képes a készülék létrehozni a gravitációhoz viszonyítva. Álló berendezés estén, amikor is a közeg végez forgó, spirális mozgást ciklonáramlásról beszélünk. Berendezései a ciklonok ill. hidrociklonok.

Klasszikus és membrán szűrési műveletek: A szűrés olyan áramlástani művelet, amely során egy porózus közeg (szűrőközeg,membrán) segítségével a fluidumban eloszlatott szilárd részecskéket elválasztjuk a fluidumtól.Hajtóereje a szűrőközeg két oldalán fennálló nyomás különbség A klasszikus szűrőközegek a fémrácsoktól a lazaszerkezetű szilárd anyagokon keresztül a szűrővászonig, szűrőpapírig terjednek. A membrán szűréshez használt membránok természetes v. műanyagokból öntéssel, húzással, neutron bombázással készült szűrőközegek. Kerámiákból, szénszálakból készülhetnek. Klasszikus szűrés: Iszaplepény szűrés: Alapvetően szitahatás érvényesül, a kapillárisok átmérője kisebb mint az elválasztandó szilárd anyag szemcsemérete. A szűrőközeg felületén folytonosan vastagodó lepény alakul ki ami a szűrés hatásfokát növeli, sebességét viszont csökkenti. A lepény időben általában nem csak vastagodik, de tömörödik is. Mélységi szűrés: A kapilláris átmérőjénél kisebb méretű szemcsék az iránytörés ill. a kapilláris keresztmetszet változás hatására vállnak le. A felületen csak jelentéktelen lepény képződés tapasztalható. Felületi szűrés: A leválasztott szemcsék elfedik a kapillárisok nyílásait, ha a felület megtelt a szűrési folyamat megáll.

Alkalmazott nyomás [bar] Példa Hagyományos szűrés 1 – 4 10 – 100 A szűrés jellemző paramétere a szűrési sebesség, mely egységnyi szűrő-felületen egységnyi idő alatt átáramlott szűrlet mennyiséget jelent. A művelet térfogatárama egyenesen arányos a szűrőréteg két oldalán mérhető nyomáskülönbséggel, a szűrőréteg felületével, és fordítottan arányos a közeg viszkozitásával és a szűrőréteg ellenállásával Ahol Rm a szűrőközeg ellenállása [1/m4], r a fajlagos lepényellenállás [m/kg], c pedig a szűrendő anyag koncentrációja [kg/m3] megnevezés Alkalmazott nyomás [bar] Leválasztott szemcsék mérete [ m] Példa Hagyományos szűrés 1 – 4 10 – 100 Kolloidok Mikroszűrés 2 – 6 0,1 – 10 Baktériumok, gombák Ultraszűrés 2 – 10 0,5 - 5*10-3 Makromolekulák Nanoszűrés 6 – 40 10-2 - 10-3 Kis méretű molekulák Reverz ozmózis 8 -70 5*10-2 - 5*10-4 víz

Fázis átmenettel járó elválasztási műveletek: Lepárlás: Folyadékelegy szétválasztása külső anyag hozzáadása nélkül. A módszer azt a jelenséget használja ki, hogy a folyadékfázis és a vele egyensúlyban lévő gázfázis összetétele nem azonos, a gőztér az illó (alacsonyabb forrpontú) komponensből mindig többet tartalmaz. A folyamatot leíró szétválasztási tényező  Ahol x az illékonyabb komponens móltörtje a folyadékban, és y az illékonyabb komponens móltörtje a gőzfázisban Gázmosás (elnyeletés): A gázmosás v. abszorpció a gázok folyadékban történő elnyeletését jelenti. Ellentéte a gázok eltávolítása v. deszorpció. Az abszorpció kedvezményetett emelt nyomáson és csökkentett hőmérsékleten, a deszorpció pedig ellentétes paraméterek mellett..

Extrakció v. szelektív kioldás: - Folyadék extrakció: két egymással nem elegyedő folyadék közti (oldott)anyag átadás. Élelmiszer iparban felhasználása korlátozott, festék és aromaanyagok szelektív kioldásánál jöhet számításba. - Szilárd anyag extrakciója szelektív oldószerrel a szilárd anyag egy v. több komponenesének kioldása

Dehidratáló műveletek: A szárítás az az a vízcsökkentés a dehidratáló műveletek legősibb formája. A szárított élelmiszereknél a mikroorganizmusok által okozott romlás, bomlás nem tud lezajlani, mivel ezen biológiai reakciókhoz szükséges víz nem áll rendelkezésre. A szárítás hajtóereje gőznyomás különbség, amely a nedves anyag gőznyomása és a szárító levegőtér parciális vízgőznyomása között fennáll Az anyagok víztartalma három csoportba osztható: - legszorosabban kötődő un. „BET” víz, hagyományos módszerekkel nem távolítható el, - kötött víz, roncsolás nélkül ez sem távolítható el, - szabad víz szárítás során eltávolítható. A víztartalom jellemezhető az un. „vízaktivitási” értékkel (aw), ami az anyag feletti légtér parciális vízgőznyomásának és a tiszta víz feletti légtér parciális vízgőznyomásának hányadosa. Értéke 0 és 1 között változik, a gombafélék (penész) életfunkcióihoz 0,75 érték, a baktériumoknak pedig kb. 0,95 érték szükséges.

A száradás folyamata. A száradás során a víz az anyag felületéről párolog el, belső részeiből diffúzió útján jut a felületre. A párolgás és a diffúzió sebessége eltérő lehet. Gyors száradás esetén a külső száraz réteg megakadályozhatja a belső rétegek száradását. Száradási görbék nedvességtartalom változása száradási sebesség változása

Átalakító műveletek: Méretcsökkentő műveletek Az aprítás olyan művelet, ahol az anyag részecskeméretének csökkentése a cél. Jellemzője az aprítási fok: az aprítás előtti átlagos szemcseméret és az apritás utáni átlagos szemcseméret hányadosa Aprítás történhet: - őrléssel - vágással - dörzsöléssel - ultrahanggal Az aprítás energia igénye fordítottan arányos a szemcseméret négyzetével! Méretnövelő műveletek - granulálás részecskék összetapasztása külső mechanikai erőkkel, segédanyagokkal - agglomerálás, instantizálás azonnal oldódó tulajdonság kialakítása poroknál. Fajlagos sűrűség növelése újra nedvesítés majd turbulens gázárammal való keverés révén.

Homogenizáló műveletek Keverés: egyik leggyakrabban alkalmazott, egyik legkevésbé feldolgozott élelmiszeripari művelet. A szükséges paraméterek beállítása kísérleti úton történik. Teljesítmény igénye sok egyéb mellett a keverő méretétől, fordulatszámától, a kevert anyag sűrűségétől és viszkozitásától függ. Típusai: - lapkeverők a keverő átmérője kb. fele az edényének, fordulatszáma nem túl nagy 20-150 1/min. Tartály fala mellett nagy tangenciális áramlás ami vertikális áramlással párosul. Típusai széles skálán mozognak a keverő alakja szerint. - propeller keverők szárnylapátjai mértani csavarfelületek 2-3 szárnyú propellerek, viszonylag nagy fordulattal. (150-1600 1/min.) Nagy tömegű kis viszkozitású folyadékok keverésére alkalmas. - turbinakeverők nagy nyíróerő előállítására alkalmas, széles fordulatszám tartomány (50-2000 1/min), diszpergálás, emulgeálás

Keverő típusok: Lapkeverő Propellerkeverő Turbinakeverők

Nagy viszkozitású anyagok keverése: Dagasztás - „Z” karú keverő, dagasztó tészták, sűrű pápek keverése, homogenizálása

Hőközléssel járó műveletek A hőátmenet energiaáramlás a magasabb hőmérsékeltű hely felől az alacsonyabb hőmérsékletű hely felé a hőmérséklet kiegyenlítődésig. Mozgató erő a hőmérséklet különbség. A hőátmenet formái: hővezetés: közvetlenül érintkező részecskék hőmozgása, általában szilárd anyagokban. Hővezető képesség  [W/mK] hőmérséklettől kis mértékben függő anyagi minőségre jellemző állandó. Értéke fémek esetében a legnagyobb 50-400 [W/mK] , gázok esetében a legkisebb 0,02-0,05 [W/mK] A hővezetéssel átadott hőmennyiség Egységnyi idő alatt átadott hőmennyiség a hőáram Az egységnyi felületen áthaladt hőáram a hőáram sűrűség

Hőáramlás a hő a fluidum áramlása, helyváltoztatása során terjed. Típusa lehet a szabad konvekció, és a kényszer konvekció Ha a két különböző hőmérsékletű közeget fal választja el hőátbocsátásról beszélünk. A határrétegben lejátszódó hőátmenet jellemzése a hőátadási tényezővel történik  [W/m2K] A fal és a fluidum közötti határfelület hőátadásának intenzitása:  = (t2-t1)A Fontos! A hőátadási tényező elsősorban nem anyagi jellemző, értéke függ a hőmérsékleti és áramlási viszonyoktól, geometriai jellemzőktől. Stacioner a hőátbocsátás ha a készülék különböző pontjain, -geometriai helyein- a hőmérséklet állandó Instacioner értelemszerű. A kezelendő anyagra vonatkozóan általában instacioner a hőátmenet

Hősugárzás a kibocsátó közeg elemi részecskéinek hőmozgása elektromágneses sugárzás formájában adja át energiáját. A hősugárzás szempontjából látható és infravörös hullámhossz tartomány jelentős. A hősugárzás független a kibocsátó és elnyelő közeg vastagságától, de függ a hőmérésklettől, geometriai és felületi viszonyoktól. Ha az érkező hő teljes mértékben elnyelődik abszolút fekete testről beszélünk Ha az érkező hő teljes mértékben visszaverődik abszolút fehér testről beszélünk Ha az érkező hő teljes mértékben áthalad a közegen abszolút átbocsátó testről beszélünk Élelmiszeripar, kemencében lejátszódó folyamatok, hőveszteség Ezen elemi folyamatok önálló megjelenése ritka, bármely kombinációjuk elképzelhető

Hőcserélő berendezések Felépítés változatos, általában duplafalú v. csöves, anyag oldalon nagy térfogatú edényzetek, általában keverővel ellátva Főzők: intenzív hőkezelés alkalmazására, sokszor nyomás alatt, komoly fizikai-kémiai változások az anyagban Dezinfektor olyan főző, mely vákuum alatti szárításra is alkalmas Duplikátor duplafalú üst keverővel általában gőz fűtés Áramlásos hőcserélők, folytonos üzemű, a meleg és hideg közeg állandósult viszonyok mellett saját terükben keringenek csak energia csere Lemezes hőcserélők, egymástó néhány mm távolságra lemezek képezik az anyag- ill. hőközlőteret. Minden második lemez közt felváltva áramlik a meleg és hideg közeg. Nagy felület, kedvező áramlási viszonyok Csőköteges hőcserélők nagy számú párhuzamos csövekből álló berendezés. A csövek között áramlik a hűtő-fütő közeg, a csövek belső tere képezi az anyagteret. A zárófedelek kialakítása lehetővé teszi a többszöri áramoltatás megvalósítását is. Spirálcsöves hőcserélők egy vagy több spirál hengerbe építve, a spirálok az anyagterek, a henger és spirál közötti tér biztosítja a hűtő-fűtő közeg áramlását

Bepárlás művelete Oldat besűrítés oldószer forralással Élelmiszeripari alkalmazások Elősűrités pl. porlasztva szárítás előtt Tárolási, csomagolási költségek csökkentése Vízaktivitás csökkentése (pl. lekvárok) Melléktermék hasznosítás (pl. melasz) Részfolyamatai: -Melegítés forrpontig -Pára leválasztás Megvalósítás részegységei -hőcserélő (melegítéshez) -páratér (helybiztosítás a forrásnak és a pára kilépésnek) -szeparátor (pára elválasztás)