Τρόποι & βασικός εξοπλισμός εφαρμογής θερμικής επεξεργασίας στα τρόφιμα

 

Οι θερμικές επεξεργασίες που υποβάλλονται τα τρόφιμα μπορεί να γίνουν με πολλές τεχνικές που εξαρτώνται τόσο από το είδος και τη φύση του τροφίμου όσο και από το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα. Για την κατηγοριοποίηση αυτών θα μπορούσαν να διακριθούν δυο μεγάλες κατηγορίες αναφορικά με τον τρόπο μεταφοράς θερμότητας :
– με άμεσο τρόπο (πχ άμεση προσθήκη ατμού σε προϊόν, μικροκύματα κλπ) με
– με έμμεσο τρόπο (πχ θέρμανση μέσα σε δοχείο διπλού τοιχώματος στο οποίο κυκλοφορεί το θερμαντικό μέσο) 

Στην πρώτη περίπτωση η θερμική ενέργεια μεταφέρεται απευθείας στο τρόφιμο ενώ στη δεύτερη διαχωρίζεται με κάποιον τρόπο. Εδώ μεσολαβούν εναλλάκτες θερμότητας όπου τα προϊόντα συμπύκνωσης του μέσου θέρμανσης δεν έρχονται σε επαφή με το τρόφιμο. Οι μέθοδοι αυτοί μπορεί ακόμη να διακριθούν :
– σε κατά παρτίδα ή ασυνεχείς όπου αφού ολοκληρωθεί η θερμική επεξεργασία σε μια συγκεκριμένη ποσότητα τροφίμου είτε με έμμεσο είτε με άμεσο τρόπο, σταματάει η διαδικασία απομακρύνεται η πρώτη ποσότητα και η διαδικασία επαναλαμβάνεται σε νέα ποσότητα
–  σε συνεχείς όπου το τρόφιμο θερμαίνεται συνεχώς μέσω της συνεχούς διάβασής του μέσα από τον κατάλληλο εξοπλισμό και προώθηση στο επόμενο στάδιο χωρίς να σταματά η διαδικασία.
Με την εξέλιξη της τεχνολογίας πολλοί από τους παραπάνω συνδυασμούς είναι εφικτοί (άμεσοι και έμμεσοι κατά παρτίδα, άμεσοι και έμμεσοι συνεχείς) προσφέροντας πολλές εναλλακτικές λύσεις αναλόγως του προϊόντος, του διαθέσιμου προϋπολογισμού μιας εγκατάστασης, του κόστους λειτουργίας και της απαιτούμενης δυναμικότητας – παραγωγικής απαίτησης.

Η βάση της όποιας θερμικής επεξεργασίας είναι η θέρμανση ενός τροφίμου σε μια επιθυμητή υψηλή θερμοκρασία στην οποία θα διατηρηθεί για επαρκή χρόνο ώστε να επιτευχθεί το ζητούμενο επίπεδο ασφάλειάς του. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της καταστροφής συγκεκριμένου αριθμού μικροοργανισμών-στόχου και στη συνέχεια με την κατάλληλη ψύξη του ώστε να αποφευχθεί η περίπτωση ανάπτυξης οποιουδήποτε μικροοργανισμού που επιβίωσε.

Η θερμική επεξεργασία μπορεί να γίνει πριν (πχ ασηπτική επεξεργασία) ή μετά την τοποθέτησή του στο μέσο συσκευασίας του (κονσερβοποίηση).  

Η κονσερβοποίηση αποτελεί την κλασικότερη τεχνική συντήρησης με θερμική επεξεργασία (διαβάστε περισσότερα εδώ).

Εναλλάκτες θερμότητας

Η θερμική επεξεργασία  με τη χρήση εναλλακτών θερμότητας εφαρμόζεται στην παραγωγή πολύ μεγάλων κατηγοριών τροφίμων που καταναλώνουμε καθημερινά (χυμοί, γάλα, σάλτσες, τοματοπολτός κλπ).
Υπάρχουν πολλοί τύποι εναλλακτών θερμότητας αναλόγως της φύσης του τροφίμου και της αποτελεσματικότητας της θέρμανσης που μεταδίδουν. Μεταξύ αυτών διακρίνουμε τους:

1. Εναλλάκτες (δεξαμενές) με ανάδευση και διπλά τοιχώματα όπου κυκλοφορεί ενδιάμεσα το θερμαντικό μέσο (συνήθως ατμός ή ζεστό νερό (σχ. 1):  συνήθως χρησιμοποιούνται για κατά παρτίδα θερμική επεξεργασία με χαμηλούς συντελεστές μεταφοράς θερμότητας είναι όμως ευέλικτοι και σχετικά χαμηλού κόστους. Τα χαρακτηριστικά του προς επεξεργασία τροφίμου (κυρίως το ιξώδες) καθορίζουν και τον τύπο του αναδευτήρα που θα χρησιμοποιηθεί για να βελτιωθεί ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας αλλά και να αποφευχθεί επικάθιση προϊόντος στα τοιχώματα.

Σχήμα 1: Εναλλάκτης με διπλά τοιχώματα

2. σωληνωτούς (διπλού, τριπλού και πολλαπλών σωλήνων) (Σχ. 2α,β): σε αυτούς το τρόφιμο διέρχεται μεταξύ των κενών χώρων των σωλήνων μέσα στους οποίους κυκλοφορεί το θερμαντικό μέσο (συνήθως νερό ή  ατμός). Με την κυκλοφορία, την κατάλληλη διάταξη, τον αριθμό και τη γεωμετρία των σωλήνων επιτυγχάνονται υψηλότεροι συντελεστές μεταφοράς θερμότητας και ομοιόμορφη θέρμανση του διερχόμενου προϊόντος σε λιγότερο χρόνο. Για πολύ παχύρευστα υγρά ή με σύνθεση τέτοια που να ευνοούν επικαθίσεις στα τοιχώματα (πχ τοματοπολτός, άμυλα κλπ) χρησιμοποιούνται σωληνωτοί εναλλάκτες αποξεώμενης επιφάνειας όπως περιγράφεται παρακάτω.    

                        

Σχήμα 2α : Σωληνωτός τύπου διπλού σωλήνα

                        

Σχήμα 2β : Σωληνωτός τύπου πολλαπλών σωλήνων (ή κελύφους-πολλαπλών σωλήνων)

                           
Οι εναλλάκτες αυτοί μπορεί να επεξεργαστούν πολύ μεγάλη ποικιλία ρευστών προϊόντων (λεπτόρρευστων και παχύρευστων) αναλόγως των χαρακτηριστικών τους και των αντλιών που τα προωθούν στους σωλήνες. Τα ρεολογικά χαρακτηριστικά του κάθε προϊόντος καθώς και το είδος της ροής που επιτυγχάνεται μέσα στους σωλήνες καθορίζουν και την επιλογή του κατάλληλου εναλλάκτη τέτοιου τύπου. Στο σχήμα 3 βλέπουμε διάφορους τύπους ροής που εμφανίζονται στα προϊόντα κατά την κίνησή τους μέσα στους εναλλάκτες αυτού του τύπου.

 

Σχήμα 3: Τύποι ροής προϊόντος σε σωλήνες

Στο παρακάτω σχήμα (σχήμα 4) επίσης εμφανίζεται η θερμοκρασιακή κατανομή σε υγρό που κινείται σε εναλλάκτη θερμότητας σωληνωτού τύπου. Παρατηρείται πως λόγω μεγαλύτερης ταχύτητας στο κέντρο του σωλήνα (στην ποτάμια ροή είναι σχεδόν διπλάσιος σε σχέση με τα τοιχώματα) και απόστασης από τα θερμαινόμενα τοιχώματα η θερμοκρασία που επιτυγχάνεται παρουσιάζει μια υστέρηση σε σχέση με τα τοιχώματα και η οποία εξαρτάται και από φύση του υλικού (ιξώδες, θερμοαγωγιμότητα κλπ). Αυτά τα χαρακτηριστικά πρέπει επίσης να λαμβάνονται υπόψη στον κατάλληλο σχεδιασμό της θερμικής επεξεργασίας (χρόνου- θερμοκρασίας) και του συντελεστή ασφαλείας για την επιλογή του εναλλάκτη. Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι ο τύπος της ροής μπορεί να αλλάξει κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας (πχ ζελατινοποίηση αμύλου, τήξη πηκτινών κλπ). Επίσης η μεταβολή του  ιξώδους που μπορεί  να συμβεί αλλάζει τα χαρακτηριστικά της ροής που σαφώς επηρεάζει τη μεταφορά θερμότητας στην αρχή και κατά τη διάρκειά  της.

              

Σχήμα 4: Κατανομή θερμοκρασίας σε σωλήνα αναλόγως του τύπου ροής
 

Ακόμη, οι σωληνωτού τύπου εναλλάκτες μπορεί να χρησιμοποιηθούν και για ρευστά που περιέχουν τεμάχια μέχρι ορισμένου μεγέθους (λόγω τριβών όμως κατά τη μετακίνηση μέσα στους σωλήνες μπορεί να υπάρξει επίπτωση στην υφή τους αλλά και ιδιαίτερες απαιτήσεις για τον υπολογισμό της σωστής θερμικής επεξεργασίας σε κάθε τεμάχιο την στιγμή που η μετακίνηση των τεμαχίων είναι διαφορετική από του υγρού αυτού καθαυτού – σχήμα 5)

 

Σχήμα 5: Κίνηση τεμαχίων προϊόντος σε σωλήνα

 

3. αποξεώμενης επιφάνειας – SSHE: Surface Scrape Heat Exchanger):  αποτελείται από ένα εξωτερικό διπλό σωλήνα μέσα στον οποίο κυκλοφορεί το θερμαντικό μέσο και ένα εσωτερικό άξονα με λεπίδες με τη βοήθεια του οποίου το προϊόν προς θερμική επεξεργασία ωθείται και απλώνεται σε πολύ λεπτή στοιβάδα στα τοιχώματα του σωλήνα. Χρησιμοποιούνται κυρίως για πολύ παχύρευστα υγρά ή με σύνθεση τέτοια που να ευνοούν επικαθίσεις στα τοιχώματα (πχ τοματοπολτός, άμυλα κλπ) οπότε οι περιστρεφόμενες λεπίδες του τα απομακρύνουν και επιτρέπουν τη συνεχή λειτουργία του. Μπορεί να τοποθετούνται είτε σε οριζόντια είτε σε κάθετη διάταξη περιορίζοντας την ανάγκη μεγάλης διαθέσιμης επιφάνειας στο εργοστάσιο.

                    

Σχήμα 6: Εναλλάκτης αποξεώμενης επιφάνειας
    

4. τους πλακοειδείς εναλλάκτες: αποτελούνται από πλάκες ανοξείδωτου ατσαλιού πολύ λεπτού πάχους (<1 mm), με μικρές αναδιπλώσεις για αύξηση της επιφάνειας επαφής και τη δημιουργία στροβιλώδους ροής, που συνήθως έχουν  ενωμένες ως δέσμες πάνω σε ένα πλαίσιο. Σε αυτούς το τρόφιμο διέρχεται μεταξύ των κενών χώρων των πλακών μέσα στους οποίους κυκλοφορεί το θερμαντικό μέσο (συνήθως νερό ή  ατμός). Με αυτόν τον τύπο εναλλάκτη επιτυγχάνονται επίσης υψηλοί ρυθμοί μεταφοράς θερμότητας αλλά συνίστανται στην θερμική επεξεργασία χαμηλού ιξώδους προϊόντων (πχ χυμοί, γάλα κλπ). Έχουν πολύ μεγάλη επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας και απαιτούν μικρό χρόνο παραμονής έτσι είναι κατάλληλοι για ευαίσθητα προϊόντα.