Fast freezing of foodstuffs through hydrofluidization and pumped ice slurries

Full Text

В последние 70 лет в развитых странах быстрое замораживание утвердилось как промышленный метод, обеспечивающий долгосрочное хранение скоропортящихся пищевых продуктов. Как хорошо известно, интенсивность замораживания значительно влияет на качество замороженных продуктов, в которых основная часть содержащейся воды должна быть быстро превращена в мелкозернистую кристаллическую структуру, чтобы предотвратить повреждение тканей и немедленно ингибировать нежелательные микробиологические и ферментативные процессы. Наиболее популярны сейчас воздушные и плиточные скороморозильные аппараты. Флюидизационные аппараты применяются в основном для индивидуального быстрого замораживания мелкоштучных продуктов. Использование криогенных быстрозамораживающих аппаратов все еще весьма ограничено из-за высокой стоимости сжиженных газов.

Флюидизационное замораживание

Воздушная флюидизация хорошо изучена и промышленно реализуется уже более 40 лет. Авторами настоящей статьи проведены некоторые из основополагающих исследований по созданию флюидизационных морозильных аппаратов, а также по анализу параметров процесса флюидизации [3, 4, 15, 18-20].

Сразу после появления систем LEWIS (Lewis Refrigeration Со., США) и FloFREEZE (FRIGO- SCANDIA, Швеция) болгарская пищевая промышленность была оснащена оригинальными флюидизационными аппаратами (АЗФ). Фрукты и овоши, замороженные в АЗФ, успешно экспортировались в Западную и Северную Европу.

Воздушная флюидизация имеет ряд преимуществ:

• высокая интенсивность замораживания благодаря малым размерам и низкому тепловому сопротивлению замораживаемых продуктов, большой общей площади теплопередающей поверхности и высоким коэффициентам поверхностной теплоотдачи;
• отличное качество замороженных продуктов, которые имеют привлекательный внешний вид и не слипаются между собой;
• непрерывность процесса замораживания и возможность полной его автоматизации.

Однако воздушная флюидизация имеет также некоторые недостатки:

• большие капитальные и эксплуатационные затраты в связи с применением двухступенчатых холодильных установок (для достижения температуры кипения -45°С), работающих в основном на озоноразрушающих хладагентах.
• меньшие коэффициенты поверхностной теплоотдачи и интенсивность замораживания по сравнению с иммерсионными способами;
• необходимость создания воздушных потоков высоких скорости и давления ведет к значительным затратам электроэнергии на работу вентиляторов;
• выделение влаги с поверхности продуктов приводит к быстрому образованию инея на воздухоохладителях из-за большой разности температур продуктов и кипящего хладагента;
• чрезмерная чувствительность параметров процесса к форме, массе и размерам продукта требует тщательного контроля за каждым отдельным продуктом.

Иммерсионное замораживание

Иммерсионное замораживание в некипящих жидких хладоносителях — хорошо известный метод, который позволяет получить высокую интенсивность теплопередачи, мелкокристаллическую структуру льда в замороженных продуктах, высокую производительностью процесса, а также снизить капитальные и эксплуатационные затраты [8, 9, 12, 14].

Применение иммерсии было ограничено вследствие неконтролируемо-го проникновения растворенных веществ внутрь продукта, а также эксплуатационными проблемами с иммерсионными жидкостями (высокая вязкость при низких температурах, трудность поддержания среды с постоянной концентрацией и без органических загрязнений). Последние достижения в тепломассопередаче, физической химии, гидродинамике и автоматике позволили в значительной степени решить эти проблемы и разработать передовые иммерсионные аппараты быстрого замораживания.

Цель настоящей статьи — ознакомить читателей с одним из новых методов индивидуального быстрого замораживания, который увеличивает поверхностную теплопередачу, скорость замораживания, производительность, энергетическую и экономическую эффективность процесса посредством гидрофлюидизации с незамерзающими жидкостями или перекачиваемыми ледяными суспензиями.

Незамерзающие жидкости и перекачиваемые ледяные суспензии как флюидизационные агенты

Гидрофлюидизационный метод быстрого замораживания пищевых продуктов был недавно предложен и запатентован с целью преодоления недостатков и суммирования преимуществ методов замораживания воздушной флюидизацией и иммерсией [5, 6, 16].

Сущность метода гидрофлюидизации состоит в использовании циркуляционной системы, которая перекачивает жидкий хладоноситель вверх через отверстия или сопла в замораживающий сосуд, создавая таким образом перемешивающие струи. Они формируют флюидизированный слой высокотурбулентной жидкости и движущихся продуктов, что обеспечивает очень высокие коэффициенты поверхностной теплоотдачи. Принцип действия гидрофлюидизационной морозильной системы показан на рис. 1.

Рис. 1. Возможная конструкция гидрофлюидизационной системы замораживания: 1 — загрузочное устройство; 2 — система орошения; 3 — морозильный отсек; 4 — перфорированный шнек; 5 — двойное дно; 6 — перфорированный желоб для удаления охлаждающей среды; 7, 9 — сетчатый ленточный конвейер; 8 — орошающее устройство для глазирования; 10, 11 — коллекторы; 12 — насос; 13, 14 — фильтры грубой и тонкой очистки; 15 — охладитель промежуточного хладоносителя; 16 — холодильная установка

Незамерзающие жидкие хладоносители как флюидизационные агенты

 Хотя различные иммерсионные методы известны уже длительное время, принципы гидрофлюидизации не использовались до сих пор для охлаждения и замораживания пищевых продуктов. Эксперименты по гидрофлюидизационному замораживанию мелкой рыбы и некоторых овощей в водном растворе хлорида натрия показали намного более высокую интенсивность замораживания в сравнении с другими методами индивидуального быстрого замораживания [5, 6]. Максимальный коэффициент поверхностной теплоотдачи превысил 900 Вт/(м^2·К), в то время как при погружении в движущуюся жидкость он был равен 378 Вт/(м²·К), 432 Вт/(м²·К) при орошении и 475 Вт/(м²·К) при погружении с барботированием воздуха [17]. Даже при слабом или умеренном перемешивании струями и сравнительно высокой температуре охлаждающей среды (около —16°С) ставрида, находившаяся при температуре 25°С, была заморожена до —10°С в центре за 6...7 мин, мелкая сельдь и зеленая фасоль — за 3...4 мин, а зеленый горошек — за 1...2 мин ( рис. 2).

Рис. 2. Экспериментальные кривые гидрофлюидизационного замораживания некоторых видов рыбы (а) и овощей (б) с использованием раствора хлорида натрия при температуре охлаждающей среды —15...—16°С и средней скорости струй 2м/с

Перекачиваемые ледяные суспензии как флюидизационные агенты

Перекачиваемые ледяные суспензии, известные под различными торговыми наименованиями — FLO-ICE, BINARY ICE, Slurry-ICE, Liquid-ICE, Fluid ICE или Pumpable- 1CE (далее айс-сларри), — были недавно предложены в качестве безопасных для окружающей среды промежуточных хладоносителей, циркулирующих в теплообменном оборудовании холодильных установок вместо традиционных вредных хлорфторуглеродных и гидрохлорфторуглеродных хладагентов [1, 2, 10, 11, 13].

Авторы выдвинули идею — усилить преимущества гидрофлюидизации, используя двухфазные ледяные суспензии как флюидизационные среды. Ледяные суспензии обладают высоким энергетическим потенциалом, так как микроскопические частицы льда абсорбируют тепло фазового превращения при плавлении на поверхности продукта. Таким образом, целью внедрения айс-сларри является обеспечение чрезвычайно высокого коэффициента поверхностной теплоотдачи (порядка 1000...2000 Вт/(м²·К)], исключительно малого времени замораживания и  равномерного распределения температуры по всему объему морозильного аппарата. Метод гидрофлюидизации с использованием айс-сларри позволяет достичь интенсивности теплопередачи, свойственной криогенным методам замораживания. Например, при температуре замораживающего айс-сларри —25°С и коэффициенте теплоотдачи 1000 Вт/(м²·К) малину, абрикосы и сливы с температурой 25°С можно заморозить до конечной среднеобъемной температуры — 18°С за 8...9 мин; землянику садовую, черешню и вишню — за 1,5...3 мин; а зеленый горошек, чернику и бруснику - примерно за 1 мин.

Принципиальная схема предложенной авторами скороморозильной установки, работающей на принципе гидрофлюидизации с ледяными суспензиями, показана на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема гидрофлюидизационной системы замораживания НуFloFreeze® с использованием перекачиваемых ледяных суспензий

Преимущества замораживания методов гидрофлюидизации

Как указано выше, новизна предложенного гидрофлюидизационного метода состоит в применении незамерзающих жидкостей или перекачиваемых ледяных суспензий в качестве флюидизационных агентов. Хорошо известно, что история иммерсионного замораживания началась с использования рассолов при замораживании рыбы, мяса и овощей. Бинарные или трехкомпонентные водные растворы, содержащие растворимые углеводы (например, сахарозу, инвертный сахар, глюкозу, фруктозу и другие моно- и дисахариды) с добавлением этанола, солей, глицерина и т.д., изучались как возможные иммерсионные среды. Существуют практически неограниченные возможности комбинировать составляющие и создавать необходимые многокомпонентные гидрофлюидизационные среды, основанные на однофазных жидкостях или двухфазных суспензиям льда, которые влияли бы благотворно на продукт, не загрязняли окружающую среду, одновременно обладая достаточно малой вязкостью c точки зрения перекачивания и хорошей гидрофлюидизации.

Ниже приводятся главные преимущества гидрофлюидизации по сравнению с традиционными способами замораживания.

• Гидрофлюидизационный метод обеспечивает очень высокую интенсивность теплообмена при малом температурном перепаде продукт - среда. Температура кипения может поддерживаться на более высоком уровне (—25...—30°С) посредством одноступенчатой холодильной машины со значительно более высоким холодильным коэффициентом и при почти в 2 раза меньших капитальных и эксплуатационных затратах, чем в конвенционных морозильных аппаратах воздушной флюидизации. Потеря холода через I стенки аппарата, расход воды или электроэнергии на привод вентиляторов для охлаждения конденсатора также снижаются.
• Быстро преодолевается критический интервал кристаллизации воды (-1...-8°С), что обеспечивает микроскопическую структуру льда в продукте и предохраняет ткани от ощутимых повреждений.
• Мгновенно замораживается поверхность продукта, превращаясь в твердую корочку, что подавляет осмотический перенос и придает продукту привлекательный товарный вид. Потери влаги практически нет, тогда как в воздушных тоннелях она обычно составляет 2-3%.
• Используя некоторые специально подобранные среды (например, фрукты, замороженные в сиропоподобных сахарных растворах, превращаются в десертные продукты с улучшенными вкусом, запахом и структурой), можно легко создавать новые деликатесные продукты. Такие среды могут также включать подходящие антиоксиданты, ароматизаторы и микроэлементы, чтобы увеличить срок хранения продуктов и улучшить их пищевую ценность и органолептические свойства.
• Гидрофлюидизационные морозильные аппараты используют безопасные для окружающей среды промежуточные хладоносители (такие, как сиропоподобные водные растворы и айс-сларри), а хладагент находится в небольшой замкнутой системе в отличие от обычных флюидизационных морозильных аппаратов, где вредные хлорфторуглероды, гидрохлорфторуглероды или гидрофторуглероды циркулируют по системе значительного объема с риском утечки в окружающую среду.
• Флюидизированное состояние достигается при низких скоростях и давлениях флюидных струй благодаря силам Архимеда и плавучести продуктов, что ведет к экономии энергии и минимальному механическому воздействию на продукт.
• Гидрофлюидизационные аппараты работают непрерывно, легки в эксплуатации и удобны для автоматизации, что существенно снижает затраты на обслуживание оборудования и персонал. Продукты выходят из аппарата в свободном поштучном состоянии, поэтому их дальнейшая обработка или упаковка значительно упрощается.
• Гидрофлюидизационные агенты на базе ледяных суспензий можно легко получать в системах накопления тепловой энергии, которые аккумулируют айс-сларри ночью при дешевых тарифах на электроэнергию.

Новая технология гидрофлюидизации, получившая награду Болгарского патентного агентства как выдающееся изобретение, привлекла внимание исследователей и представителей промышленности. Оптимизация конструкции гидрофлюидизационных морозильных систем требует интердисциплинарного подхода исследователей [7].

Европейская комиссия решила финансировать проект Европейского союза INCO-COPERN1CUS для разработки этого метода международным консорциумом, включающим исследовательские группы из Технического университета в Софии (Болгария) - научный координатор, Католического университета Лёвена (Бельгия) — административный координатор, Абердинского университета имени Роберта Гордона (Великобритания), Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий (Россия), фирм Environmental Process Systems Ltd. (Великобритания) и МСК «Интеробмен» КД (Болгария).

Благодаря многим важным преимуществам гидрофлюидизационной технологии перед традиционными методами замораживания ее промышленное внедрение ведет к сохранению сельскохозяйственной продукции, экономии энергии, инвестиций и эксплуатационных расходов, а также к улучшению качества замороженных продуктов.

About the authors

K. A. Fikiin

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Bulgaria, Sofia

A. G. Fikiin

Email: info@eco-vector.com
Bulgaria, Sofia

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Possible design of hydrofluidizing freezing system: 1 - loading device; 2 - irrigation system; 3 - freezing compartment; 4 - perforated screw; 5 - double bottom; 6 - perforated chute for removal of cooling medium; 7, 9 - mesh belt conveyor; 8 - irrigation device for glazing; 10, 11 - collectors; 12 - pump; 13, 14 - filters of rough and fine cleaning; 15 - intermediate coolant cooler; 16 - cooling unit

Download (1MB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Experimental curves of hydrofluidic freezing of some fish (a) and vegetables (b) using sodium chloride solution at the cooling medium temperature of -15...-16°C and average jet velocity of 2m/s

Download (1MB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Schematic diagram of the NuFloFreeze® hydrofluidized freezing system using pumped ice slurries

Download (1MB)

Indexing metadata