Αφυδάτωση των Τροφίµων µε Κατάψυξη- Εξάχνωση Ορισµός Η αφυδάτωση µε κατάψυξη-εξάχνωση (Freeze ehyraton or Freeze ryng) ή λυοφίλιση (Lyophlzaton) είναι µία διεργασία µε την οποία το νερό µεταφέρεται από τη στερεά κατάσταση (πάγος) στην αέριο (υδρατµός). ιάγραµµα Φάσεων Ύδατος Σχήµα. ιάγραµµα φάσεων του ύδατος. Είναι δυνατό ο πάγος να µετατραπεί σε υδρατµό, χωρίς να µεσολαβήσει η υγρή κατάσταση, αν η τάση ατµών και η θερµοκρασία διατηρούνται κάτω του τριπλού σηµείου (σηµείο στο οποίο υφίστανται και οι τρεις καταστάσεις). Η µετατροπή αυτή ονοµάζεται εξάχνωση και θα πρέπει να προσφερθεί η λανθάνουσα θερµότητα εξαχνώσεως. Είναι προφανές ότι για να επιτελεσθεί η αφυδάτωση µε κατάψυξη-εξάχνωση επιτυχώς, η απόλυτη πίεση στο θάλαµο ξηράνσεως θα πρέπει να διατηρείται τουλάχιστον στα 610,6 Pa. Σύστηµα Αφυδατώσεως µε Κατάψυξη-Εξάχνωση: Σχήµα. Βασικά συστατικά µέρη ενός συστήµατος αφυδατώσεως µε κατάψυξη-εξάχνωση.
Στάδια της ιεργασίας: Κατά τη διεργασία αυτή µπορεί κανείς να διακρίνει τρία στάδια, () το τρόφιµο καταψύχεται και το περισσότερο νερό µετατρέπεται σε πάγο, () ο κύριος όγκος του πάγου εξαχνούται και ο υδρατµός αποµακρύνεται από την περιοχή της αφυδατουµένης επιφανείας, () τα τελικά ίχνη της δεσµευµένης υγρασίας αποµακρύνονται εντός του θαλάµου αφυδατώσεως µε ξήρανση υπό κενό ή µε ξηραντήρα άλλου τύπου. Τα πλεονεκτήµατα της αφυδατώσεως µε κατάψυξη-εξάχνωση έναντι των άλλων µεθόδων βρίσκονται στην ποιότητα του προϊόντος. Συµβαίνει πολύ µικρή ή καθόλου συρρίκνωση. Η κίνηση των διαλυτών στερεών είναι ελαχίστη. Η πορώδης δοµή διευκολύνει την ενυδάτωση. Η διατήρηση των αρωµατικών και γευστικών-οσµηρών ενώσεων είναι υψηλή. Στον Πίνακα 1 φαίνονται οι κύριες διαφορές µεταξύ της µεθόδου αυτής και των λοιπών µεθόδων αφυδατώσεως. Πίνακας 1 ιαφορές µεταξύ συνήθων µεθόδων αφυδατώσεως και αφυδατώσεως µε κατάψυξη-εξάχνωση. Συνήθης Κατάψυξη-εξάχνωση Επιτυχής για εύκολα αφυδατούµενα τρόφιµα (λαχανικά και σπόροι) Επιτυχής για τα περισσότερα τρόφιµα, όµως περιορίζεται σε εκείνα τα οποία αφυδατώνονται δύσκολα µε τις άλλες µεθόδους Γενικώς µη ικανοποιητική για το κρέας Επιτυχής για το νωπό και µαγειρευµένο κρέας Περιοχή θερµοκρασίας 37-93 C Θερµοκρασία κάτω του σηµείου καταψύξεως Ατµοσφαιρικές πιέσεις Ελαττωµένες πιέσεις, 7-133 Pa Εξάτµιση νερού από την επιφάνεια του τροφίµου Εξάχνωση του νερού από το µέτωπο του πάγου Κίνηση διαλυτών ουσιών και µερικές φορές περίπτωση Ελαχίστη κίνηση διαλυτών ουσιών σκληρύνσεως (πέτσιασµα) Τάσεις στα στερεά τρόφιµα προκαλούν δοµική βλάβη Ελαχίστη κίνηση διαλυτών ουσιών και συρρίκνωση Αργή, µη πλήρης ενυδάτωση Ταχεία, πλήρης ενυδάτωση Στερεά ή πορώδη αφυδατωµένα προϊόντα µε Πορώδη αφυδατωµένα προϊόντα µε πυκνότητα πυκνότητα µεγαλυτέρα από του αρχικού τροφίµου µικροτέρα από του αρχικού τροφίµου Συχνά µη κανονική γεύση-οσµή Συνήθως κανονική γεύση-οσµή Συχνά χρώµα σκοτεινότερο Συνήθως χρώµα κανονικό Μείωση της θρεπτικής αξίας Γενικώς χαµηλό κόστος Μεγάλη συγκράτηση θρεπτικών Γενικώς κόστος υψηλό (µέχρι 4 φορές το κόστος των συνήθων µεθόδων) Κλιµάκωση Υγρασίας Βασική Θεωρία Λόγω της απουσίας υγρής φάσεως, η δοµή του τροφίµου επηρεάζεται από την εξάχνωση κατά διαφορετικό τρόπο. Στο σχήµα (α) φαίνεται η ιδανική κατανοµή υγρασίας κατά την εξάχνωση. Υπάρχει µία µεσεπιφάνεια στην οποία η υγρασία πέφτει από την αρχική τιµή o στην τελική στην ξηρή στιβάδα, η οποία καθορίζεται από την ισορροπία της µερικής πιέσεως στην περιβάλλουσα ατµόσφαιρα. Όµως, η ιδανική αυτή αναπαράσταση δεν είναι αληθής και η διεργασία αντιπροσωπεύεται καλλίτερα και ακριβέστερα µε το σχήµα (β). Όπως φαίνεται υπάρχει µία "µεταβατική περιοχή" (tranton regon), στην οποία δεν υπάρχει πλέον πάγος, αλλά η περιεκτικότητα υγρασίας είναι σηµαντικά υψηλοτέρα από την τελική υγρασία της αφυδατωµένης στιβάδος.
Σχήµα. Κλιµάκωση υγρασίας κατά την αφυδάτωση µε κατάψυξη-εξάχνωση. (α) Ιδανική κλιµάκωση, (β) Πιθανή πραγµατική κλιµάκωση. Η κλιµάκωση της τάσεως των υδρατµών επηρεάζεται από τους εξής παράγοντες: 1. Την πίεση εντός του θαλάµου αφυδατώσεως.. Τη θερµοκρασία του συµπυκνωτή υδρατµού, η οποία (όπως και η πίεση) θα πρέπει να είναι τόσο χαµηλή όσο επιτρέπουν τα οικονοµικά. 3. Τη θερµοκρασία του πάγου στο µέτωπο εξαχνώσεως, η οποία θα πρέπει να είναι όσο το δυνατό υψηλoτέρα χωρίς να συµβεί τήξη. Στην πράξη, η οικονοµικά χαµηλοτέρα πίεση θαλάµου είναι 13 Ρa περίπου και η χαµηλοτέρα θερµοκρασία του συµπυκνωτή υδρατµών -35 C Μετάδοση Θερµότητος &Μεταφορά Μάζης Κατά την αφυδάτωση µε κατάψυξη-εξάχνωση υπό κενό είναι πιθανό να υπάρχουν τρεις περιπτώσεις µεταδόσεως και µεταφοράς:! Μετάδοση θερµότητος µέσω της κατεψυγµένης στιβάδος και µεταφορά µάζης µέσω της αφυδατωµένης στιβάδος.! Μετάδοση θερµότητος και µεταφορά µάζης µέσω της αφυδατωµένης στιβάδος.! Θέρµανση µε µικροκύµατα εντός της στιβάδος του πάγου και µεταφορά µάζης µέσω της αφυδατωµένης στιβάδος. Μετάδοση Θερµότητος µέσω Κατεψυγµένης Στιβάδος και Μεταφορά Μάζης µέσω Αφυδατωµένης Στιβάδος Σχήµα 3. Μετάδοση θερµότητος και µεταφορά µάζης κατά την αφυδάτωση µε κατάψυξη-εξάχνωση. (α) Θερµότητα µέσω κατεψυγµένης στιβάδος. (β) Θερµότητα και µάζα µέσω αφυδατωµένης στιβάδος. (γ) ηµιουργία θερµότητος µε µικροκύµατα. (---) Θερµοκρασία, ( ) υγρασία.
Ρυθµός Μεταδόσεως Θερµότητος Ak T q ( T ) w όπου Αεπιφάνεια επαφής, m², k θερµική αγωγιµότητα της κατεψυγµένης στιβάδος, W/m C, T w θερµοκρασία της επιφανείας επαφής, C, T θερµοκρασία της κατεψυγµένης στιβάδος, C, και πάχος της κατεψυγµένης στιβάδος, m. Μεταφορά Μάζης w Ab P t ( P ) όπου wβάρος του νερού, kg, tχρόνος,, bδιαπερότητα της αφυδατωµένης στιβάδος, kg/m, P τάση ατµών του πάγου, Pa, P µερική τάση ατµών στην επιφάνεια της αφυδατωµένης στιβάδος, Pa, Αεπιφάνεια εξαχνώσεως, m² και πάχος αφυδατωµένης στιβάδος. Ρυθµός Εξαχνώσεως w q t h h λανθάνουσα θερµότητα εξαχνώσεως, kj/k. Από τις παραπάνω εξισώσεις λαµβάνεται: ( P ) Ak( Tw T) k και P P + ( ) Ab P h Όµως, είναι: L + όπου Lπάχος του τροφίµου, m. Οπότε : P k P bh L T T + w ( ) bh T T w Ο χρόνος αφυδατώσεως, µπορεί να υπολογισθεί ολοκληρώνοντας µε αναλυτική ή αριθµητική µέθοδο την εξίσωση: L f b ( ) ( ) ρ 0 0 o t t Μετάδοση Θερµότητος και Μεταφορά Μάζης µέσω της Αφυδατωµένης Στιβάδος Ρυθµός Μεταδόσεως Θερµότητος: ( ) Ak T T q όπου k θερµική αγωγιµότητα της αφυδατωµένης στιβάδος, W/m C, πάχος αφυδατωµένης στιβάδος, m και T θερµοκρασία επιφανείας, C. Ρυθµός Εξαχνώσεως: w Aρ ( ) o t t όπου ρ πυκνότητα των στερεών στο αφυδατωµένο ορθογώνιο, kg/m 3. Από τις εξισώσεις αυτές λαµβάνεται: b ρ P P t ( ) ( ) o Υποθέτοντας ότι ο ρυθµός µεταδόσεως θερµότητος είναι ίσος µε το ρυθµό εξαχνώσεως πολλαπλασιασµένο µε τη λανθάνουσα θερµότητα εξαχνώσεως, λαµβάνεται:
( ) Ab( P ) Ak T T P h k bh T T + Ο και µε απλοποίηση & ολοκλήρωση: P P ( ) Ο χρόνος αφυδατώσεως µπορεί να υπολογισθεί µε ολοκλήρωση της εξισώσεως. bp ρ ( P) ( ) L/ 0 o οπότε ο χρόνος αφυδατώσεως δίδεται από την εξίσωση: t ( o ) ( P) L ρ 8bP 0 t t όπου Lπάχος του ορθογωνίου τροφίµου, m και bδιαπερατότητα της αφυδατωµένης στιβάδος, kg/m. Λόγω της ισοδυναµίας µεταξύ µεταδόσεως θερµότητος και µεταφοράς µάζης, ο χρόνος αφυδατώσεως µπορεί να υπολογισθεί µε ολοκλήρωση της εξισώσεως µεταδόσεως της θερµότητος, οπότε λαµβάνεται: t ( ) ( ) L ρ h 8k T T o Για την περίπτωση της συµµετρικής αφυδατώσεως, ήτοι τη µετάδοση θερµότητος και από τις δύο πλευρές του τροφίµου και τη µεταφορά µάζης µέσω της αφυδατωµένης στιβάδος δίδει τις παρακάτω εξισώσεις για το χρόνο αφυδατώσεως: Lρoh k L t + kt h 4 ( T) και Lρoh k L t + k 1 T T h 4 ( + o)( ) όπου Lπάχος τροφίµου, m, ρ πυκνότητα αφυδατωµένου υλικού, kg/m 3, ρπυκνότητα υγρού υλικού, kg/m 3, kθερµική αγωγιµότητα αφυδατωµένου υλικού, W/m C, h συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος, W/m² C (hk/x) και 'κλάσµα εξατµιζοµένου νερού( o -Χ)/ o, o και αρχική και τελική περιεκτικότητα υγρασίας, kg H O/kg ξηρών στερεών. Το σχήµα 4 δείχνει της θερµοκρασίες τις κατεψυγµένης στιβάδος, του κέντρου του προϊόντος και του θερµαινόµενου ραφιού, κατά την αφυδάτωση µε κατάψυξη-εξάχνωση σε ασυνεχή ξηραντήρα. Σχήµα 4. Μεταβολές των θερµοκρασιών ως προς το χρόνο κατά την ασυνεχή αφυδάτωση µε κατάψυξη-εξάχνωση.
Πίνακας Θερµοκρασίες κατεψυγµένης στιβάδος και αφυδατωµένης επιφανείας κατά την αφυδάτωση µε κατάψυξη-εξάχνωση. Τρόφιµο Πίεση θαλάµου Pa Μεγίστη θερµοκρασία επιφανείας, C Κοτόπουλο, κύβοι 16,7 60-0 Φράουλες, φέτες 60,0 70-15 Πορτοκαλοχυµός 6,7-13,3 49-4,8 Χυµός Guava 6,7-13,3 43,3-37, Γαρίδες 13,3 51,7-9 Γαρίδες 13,3 79,4-17,8 Σολωµός, φέτα 13,3 79,4-9 Βοδινό, ταχείας Καταψύξεως 66,7 60-14 Βοδινό, βραδείας καταψύξεως 66,7 60-17, Θερµοκρασία κατεψυγµένης στιβάδος, C Πίνακας 3 Τυπικές θερµικές αγωγιµότητος αφυδατωµένων µε κατάψυξη-εξάχνωση τροφίµων µε την παρουσία διαφόρων αερίων. Πίεση Θερµική αγωγιµότητα, W/m C Τρόφιµο kpa Αέρας ή Άζωτο Ήλιο Άµυλο, πηκτή 0,133 101,35 0.00935 0,0398-0,1488 Βακαλάος 0,00 0,05 - Βοδινό 0,013 1,333 101,35 00415 0,0606 0,0640 0,0415 0,114 0,1696 Γαλοπούλα, στήθος 0,013 0,133 1,333 13,33 101,35 Μήλα 0,013 1,333 101,35 0,0346 0,069 0,0779 0,0779 0,0779 0,0173 0,0381 0,0415 0,0346 0,069 0,11 0,1731 0,1904 0,060 0,0848 0,1696 Πίνακας 4 Τυπικές διαπερατότητες υδρατµών αφυδατωµένων µε κατάψυξη-εξάχνωση τροφίµων µε την παρουσία διαφόρων αερίων. Πίεση ιαπερατότητα, kg/m 10 8 Τρόφιµο kpa Αέρας ή Άζωτο Ήλιο Βοδινό 1 0,13 1,46 - Γαλοπούλα, στήθος 0,013 0,133 1,333 13,33 101,35 1,581 1,46 0,57 0,0775 0,0093 Ζελατίνη 0,08 0,0006 - Καφές (10% στερεά) 0,00 0,006 - Καφές (0% στερεά) 0,14 0,0031-1,519 0,99 0,17 0,048 0,0031 Θέρµανση µε Mικροκύµατα της Kατεψυγµένης Στιβάδος και Μεταφορά Μάζης µέσω της Αφυδατωµένης Στιβάδος Η δηµιουργία θερµότητος µε τα µικροκύµατα εξαρτάται από την παρουσία διπόλων. Στην περίπτωση των τροφίµων το κύριο δίπολο είναι το νερό. Οι διαθέσιµες συχνότητες για βιοµηχανικές εφαρµογές είναι τα 915 MHz (896 MHz Ευρώπη) και 450 MHz. Στην περίπτωση αυτή η θερµότητα δηµιουργείται στο
µέτωπο του πάγου και ο ρυθµός µεταδόσεως θερµότητος δεν επηρεάζεται από τη θερµική αγωγιµότητα του πάγου ή αφυδατωµένου τροφίµου και το πάχος της αφυδατωµένης στιβάδος. Η απορροφούµενη από το τρόφιµο ισχύς υπολογίζεται χρησιµοποιώντας την εξίσωση: P 55, 61 10 14 fe ε όπου Pισχύς ανά µονάδα όγκου (W/m 3 ), fσυχνότητα (Hz), Eισχύς του πεδίου (V/m) και ε"παράγοντας διηλεκτρικής απωλείας. Ο παράγοντας απωλείας, ε", είναι µία εσωτερική ιδιότητα των τροφίµων, η οποία εξαρτάται µεγάλως από τη θερµοκρασία και τη σύνθεση του τροφίµου. Ο χρόνος αφυδατώσεως υπολογίζεται µε την εξίσωση: t ( o ) ( P) L ρ 8bP Πρόβληµα 1: Τρόφιµο αρχικής περιεκτικότητος υγρασίας 78% τοποθετείται σε δίσκους σε στιβάδες πάχους 0,8 cm και αφυδατώνεται σε µία περιεκτικότητα υγρασίας 4% σε ασυνεχή ξηραντήρα µε κατάψυξη-εξάχνωση, ο οποίος λειτουργεί µε πίεση 35 Pa. Υποθέτοντας ότι η πίεση στο µέτωπο του πάγου παραµένει σταθερή στα 75 Pa και ότι η θερµοκρασία της επιφανείας κατά µέγιστο είναι 50 C, να υπολογισθεί ο χρόνος αφυδατώσεως. ίδεται: θερµική αγωγιµότητα του αφυδατωµένου τροφίµου 0,0315 W/m C, πυκνότητα 490 kg/m 3, διαπερατότητα,x10-8 kg/m και η λανθάνουσα θερµότητα εξαχνώσεως,841 MJ/kg. Λύση: Ο χρόνος αφυδατώσεως µπορεί να υπολογισθεί από την εξίσωση, t ( ) ( ) L ρ h 8k T T o αρκεί να υπολογισθεί η θερµοκρασία T στο µέτωπο εξαχνώσεως µε τη βοήθεια της εξιώσεως, P k bh T T P + ( ), οπότε: 75 35+ ( 50 ) 00315,, 10 84110, 8 6 και T -9,4 C Είναι ακόµη o 78/3,545 και 4/960,04 kg H O/kg ξηρών στερεών και L0,008/0,004 m (αποµάκρυνση υγρασίας από τη µία πλευρά). Οπότε λαµβάνεται: ( ) ( ) 800315, J/ m C 50 ( 9, 4) 3 6 m kg m kg kg J kg t 0, 004 490 / 3, 5450, 04 /, 841 10 / 3899, 5 11, h C [ ] Πρόβληµα : Κρέας περιεκτικότητος υγρασίας 75% αφυδατώνεται µε κατάψυξη-εξάχνωση σε υγρασία %. Το κρέας παρουσιάζει πυκνότητα 970 kg/m 3 και έχει πάχος cm. Η αφυδάτωση διεξάγεται µε απόλυτη πίεση 70 Pa, η θερµοκρασία του θαλάµου είναι 30 C και η αφυδάτωση είναι συµµετρική. Η θερµική αγωγιµότητα του αφυδατωµένου κρέατος είναι 0,07 W/m C, η θερµική αγωγιµότητα του νερού 0,035 W/m C και ο περιβάλλων υµένας ατµού έχει πάχος 3 mm. Να υπολογισθεί ο χρόνος αφυδατώσεως. Λύση: Είναι o 75/53 και /980,0 kg H O/kg ξηρών στερεών. Ο συντελεστής µεταδόσεως θερµότητος είναι: h k/ 0,035/0,003 7,833 W/m² C Σε πίεση 70 Pa αντιστοιχεί θερµοκρασία -5,5 C και h,8403 MJ/kg. Το κλάσµα του νερού το οποίο παραµένει κατά τη συµπλήρωση της περιόδου αφυδατώσεως είναι: '( o -)/ o (3-0,0)/30,993. Αντικαθιστώντας στην εξίσωση, Lρoh k L t + k 1 T T h 4 λαµβάνεται: ( + o)( ) T ( ) 3 6 0, 0m 970kg/ m 3kg/ kg, 8403 10 J/ kg 0, 07W/ m C 0, 993 0, 0m 0, 993 t + 007, J/ m C ( 1+ 3) ( 30+ 55, ) C 7, 833W/ m C 4 7340, 7 0, 4h
Εξοπλισµός Ο εξοπλισµός αφυδατώσεως µε κατάψυξη-εξάχνωση µπορεί να είναι συνεχής ή ασυνεχής. Μπορεί να πει κανείς ότι το πλείστο της εµπορικής αφυδατώσεως µε τη µέθοδο αυτή επιτελείται µε την ασυνεχή αρχή. Έτσι χρησιµοποιούνται θάλαµοι κενού εφοδιασµένοι µε θερµαινόµενα ράφια, ενώ το προϊόν καταψύχεται σε δίσκους. Οι θερµοκρασίες των ψυχοµένων πλακών ή σερπαντίνων αποµακρύνσεως των παραγόµενων υδρατµών βρίσκονται στην περιοχή των -10 µε -40 C. Τα µη συµπυκνούµενα αέρια αποµακρύνονται µε ένα σύστηµα µηχανικής αντλήσεως. Οι αντλίες αυτές είναι σφραγισµένες µε λάδι και χρησιµοποιούνται δύο εν σειρά. Η δευτέρα εξ αυτών είναι σταθεροποιηµένη µε αέριο για να µειωθεί ο κίνδυνος συµπυκνώσεως υδρατµών καθιστώντας τις σφραγίσεις ελαίου µη αποτελεσµατικές. Επίσης, έχουν χρησιµοποιηθεί και εγχύτες ατµού (τζιφάρια). Τα ράφια και οι δίσκοι είναι προσεκτικά σχεδιασµένα ώστε να προάγουν ταχεία µετάδοση θερµότητος. Για τη θέρµανση έχουν επίσης χρησιµοποιηθεί ακτινοβολητές και ιδιαιτέρως τα µικροκύµατα. Σχήµα 5. Ασυνεχής ξηραντήρας καταψύξεως-εξαχνώσεως µε δίσκους Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι συνεχών ξηραντήρων: Ξηραντήρες µε δίσκους (tray ryer), στους οποίους το προϊόν είναι στάσιµο επί δίσκων και οι δίσκοι κινούνται συνεχώς µέσω του ξηραντήρα υναµικοί ή χωρίς δίσκους ξηραντήρες (ynamc or trayle ryer), στους οποίους τα σωµατίδια του τροφίµου κινούνται µέσω του ξηραντήρα. Σχήµα 6. Συνεχής ξηραντήρας καταψύξεως-εξαχνώσεως µε δίσκους. Συνεχείς ξηραντήρρες καταψύξεως-εξαχνώσεως: Ξηραντήρες µεταφορικής ταινίας Ξηραντήρες κυκλικών πλακών ονούµενοι ξηραντήρες καταψύξεως-εξαχνώσεως Ξηραντήρες καταψύξεως-εξαχνώσεως ρεστοποιηµένου στρώµατος και ψεκασµού
Σχήµα 7. Συνεχής ξηραντήρας καταψύξεως-εξαχνώσεως. Σχήµα 8. Συνεχής ξηραντήρας καταψύξεως-εξαχνώσεως µε µεταφορική ταινία. Σχήµα 9. Συνεχής ξηραντήρας καταψύξεως-εξαχνώσεως κυκλικών πλακών.
Σχήµα10. Συνεχής ξηραντήρας καταψύξεως-εξαχνώσεως κυκλικών πλακών. Ενεργειακή Ανάλυση Όπως έχει αναφερθεί κατά την αφυδάτωση µε κατάψυξη-εξάχνωση το προϊόν πριν να αφυδατωθεί καταψύχεται και το νερό αποµακρύνεται µε εξάχνωση. Κατά τη διεργασία αυτή απαιτείται σηµαντική ενέργεια για να παραχθούν οι υδρατµοί και κατόπιν να αποµακρυνθούν µε τον ψυχόµενο συµπυκνωτή. Πρέπει να σηµειωθεί ότι η απαιτουµένη ενέργεια στα συστήµατα ψύξεως δεν αποτελεί ενέργεια η οποία πρέπει να µεταδοθεί κατά την κατάψυξη ή συµπύκνωση του υδρατµού, αλλά ενέργεια η οποία παρέχεται στο συµπιεστή του συστήµατος. Η απαιτουµένη ενέργεια κατά τη διεργασία αυτή είναι κατά πολύ περισσότερη από εκείνη µε αέρα ή τύµπανα. Για να υπολογισθεί η απαιτουµένη ενέργεια κατά την αφυδάτωση µε κατάψυξη-εξάχνωση (µόνο) πρέπει: 1.- Να υπολογισθεί η ενέργεια για την κατάψυξη του προϊόντος, ήτοι: ( ) ( ) q m C T T + m h + m C T T w pw f F w f p F όπου mµάζα νερού (τροφίµου), C pw ειδική θερµότητα νερού, T f θερµοκρασία τροφίµου, T F θερµοκρασία καταψύξεως, h f λανθάνουσα θερµότητα πήξεως, m µάζα πάγου, C p ειδική θερµότητα πάγου και T θερµοκρασία του πάγου..- Να υπολογισθεί η ενέργεια για την εξάχνωση του πάγου. q m h h λανθάνουσα θερµότητα εξαχνώσεως του πάγου. 3.- Nα υπολογισθεί η ενέργεια για τη συµπύκνωση των υδρατµών. ( ) q m h h v v όπου m v µάζα υδρατµών, h v ειδική ενθαλπία υδρατµών και h ειδική ενθαλπία στερεού. Για την αποµάκρυνση 1 kg νερού κατά την αφυδάτωση µε κατάψυξη-εξάχνωση είναι για την κατάψυξη 67 kj/kg νερού, για την εξάχνωση 837 kj/kg νερού και τη συµπύκνωση υδρατµών 1570 kj/kg νερού (εξάχνωση και σχηµατισµός ατµού στους -0 C, συµπύκνωση στους -40 C). Κατά τη διεργασία αυτή η παρεµπόδιση της απωλείας ενεργείας είναι πάρα πολύ σπουδαία, γιατί οι ενεργειακές απαιτήσεις είναι πολύ µεγαλύτερες από τις άλλες διεργασίες αφυδατώσεως. Οι πηγές απωλείας ενεργείας κατ' αυτήν είναι: 1.- Απώλεια ενεργείας µε ακτινοβόληση από τις πλάκες θερµάνσεως στα τοιχώµατα του ξηραντήρα. ( ) q AF T T r σ 4 4 p p
όπου Aεπιφάνεια πλάκας, σσταθερά Stefan-Boltzmann, T p θερµοκρασία πλάκας, T p θερµοκρασία προστατευτικών χωρισµάτων και F"παράγοντας όψεως για µετάδοση θερµότητος µε ακτινοβολία (γκρίζο σώµα). Είναι δε: F 1 1 + 1 1 F ε + A A 1 ε p p p 1 όπου F'παράγοντας όψεως µεταδόσεως θερµότητος µε ακτινοβολία (µέλαν σώµα), ε p ικανότητα εκποµπής (emvty) πλάκας, ε p ικανότητα εκποµπής προστατευτικού χωρίσµατος, Aεπιφάνεια πλάκας και A p επιφάνεια προστατευτικού χωρίσµατος..- Απώλεια µε το εξερχόµενο προϊόν. ( ) q m C T T p E m, C p, T µάζα, ειδική θερµότητα και θερµοκρασία του στερεού (εξερχοµένου προϊόντος) και T E θερµοκρασία περιβάλλοντος. 3.- Ενέργεια η οποία σπαταλάται στις αντλίες κενού. q mcp T για το νερό ψύξεως Απώλεια q/ταχύτητα εξαχνώσεως 4.- Ενέργεια απορριπτοµένη στο περιβάλλον από τους συµπυκνωτές του καταψύκτη και τη µονάδα του συµπυκνωτή του ξηραντήρα. ( ) q mc h1 h qr c h h και m 3 όπου m c µάζα ψυκτικού, h 1 ειδική ενθαλπία συµπιεστή εξόδου, h ειδική ενθαλπία συµπυκνωτή εξόδου, h 3 ειδική ενθαλπία εξατµιστή εξόδου, q r απαιτουµένη ενέργεια. Πρέπει ακόµη να σηµειωθεί ότι το 1/ της ενεργείας δαπανάται στις αντλίες κενού και τα συστήµατα ψύξεως. οµή των Τροφίµων που Αφυδατώθηκαν µε Κατάψυξη-Εξάχνωση # Εξαρτάται από τον τύπο και το µέγεθος των παγοκρυστάλλων # Μπορεί να συµβεί κατάρρευση του πλέγµατος # Τα διαλυτά συστατικά στην επιφάνεια και κατά την κατάψυξη µπορεί να δηµιουργήσουν αντίσταση στη µεταφορά µάζης κατά την αφυδάτωση # Η ταχύτητα αφυδατώσεως µπορεί να ελεγχθεί από την ταχύτητα καταψύξεως ( ταχεία ή βραδεία αριθµός & µέγεθος κρυστάλλων πάγου) Σχήµα 11. Επίδραση του µεγέθους των παγοκρυστάλλων επί του πορώδους του προϊόντος.
Συγκράτηση Γευστικών-Οσµηρών Συστατικών Παρ όλο που η τάση ατµών των οργανικών ενώσεως (οσµηρές γευστικές ενώσεις) είναι µεγαλύτερη από την τάση ατµών του νερού, τα τρόφιµα που αφυδατώθηκαν µε κατάψυξη-εξάχνωση συγκρατούν σε µεγαλύτερο βαθµό τις γευστικές-οσµηρές ενώσεις. Τούτο µπορεί να οφείλεται:! Προσρόφηση των οσµηρών-γευστικών ενώσεων σε ειδικές θέσεις (περιοχές)! Παγίδευση των πτητικών στο ξηρό πλέγµα του τροφίµου. Καθώς η περιεκτικότητα του νερού µειώνεται, ο συντελεστής διαχύσεως των οργανικών πτητικών ενώσεων µειώνεται δραστικά σε σύγκριση µε αυτό του νερού! Συγκράτηση σε µικρο-περιοχές. Καθώς αποµακρύνεται το νερό, η διαπερατότητα ως προς τα πτητικά οργανικά των πολυαρίθµων µικρών υδατανθρακικών περιοχών µειώνεται και αναπτύσσονται δεσµοί υδρογόνου µεταξύ υδατανθράκων Βιβλιογραφία Barboa-Canova, G.V. (1996). Dehyraton of Foo. Chapman & Hall, Lonon. Charm, S.E. (1979). Funamental of Foo Engneerng, n e. The AVI Publhng Co, Inc. Wetport, Connectcut. Dalgleh, J.McN. (1990). Freeze-Dryng for the Foo Inutre. Elever Apple Scence Publher Lt, Lonon. Fellow, P.J. (1990). Foo Proceng Technology: Prncple an Practce. Ell Horwoo Lt, Lonon. Geankopl, C.J., (1993). Tranport Procee an Unt Operaton, 3r Eton, Prentce Hall, Englewoo Clff. Karel, M. (1975). Dehyraton of foo. In "Prncple of Foo Scence. Part II. Phycal Prncple of Foo Preervaton", O. Fennema (e.), Pp. 309-357. Marcel Dekker, Inc, Bael. Kng, C.J. (1971). Freeze-Dryng of Foo. CRC Pre, Clevelan. Λάζος, Ε. Σ. (00). Επεξεργασία Τροφίµων ΙΙ. 3 η Έκδοση. Τµήµα Τεχνολογίας Τροφίµων. ΤΕΙ Αθηνών. Lenger,H.A. an Beverloo,W.A. (1975). Foo Proce Engneerng. D.Reel Publhng Co, Dorrecht. Hollan. Mellor, J.D. (1978). Funamental of Freeze-Dryng.Acaemc Pre, Lonon. Toleo, R.T. (1991). Funamental of Foo Proce Engneerng. Van Notran Renhol, New York. ρ. Ευάγγελος Σ. Λάζος Καθηγητής elazo@teath.gr