- Способы замораживания
- Камеры шоковой заморозки
- Контактные морозильники
- Криогенные морозильники
- Криомеханические морозильники
- Критерии выбора морозильной камеры
- Холодильные системы
ЗАМОРАЖИВАНИЕ — это метод консервирования пищевых продуктов, который замедляет физические изменения, а также химическую и микробиологическую активность, вызывающую порчу продуктов. Снижение температуры замедляет молекулярную и микробную активность в пищевых продуктах, тем самым продлевая срок их хранения. Хотя каждый продукт имеет индивидуальную идеальную температуру хранения, большинство замороженных продуктов хранятся при температуре от 0 до –34°С.
Замораживание снижает температуру продукта от температуры окружающей среды до уровня хранения и превращает большую часть воды в продукте в лед. На рисунке 1 показаны три фазы замораживания:
- (1) охлаждение, при котором удаляется явное тепло, снижая температуру продукта до точки замерзания;
- (2) удаление скрытой теплоты плавления продукта, превращая воду в кристаллы льда; и
- (3) продолжающееся охлаждение ниже точки замерзания, которое удаляет больше явного тепла, снижая температуру продукта до желаемой или оптимальной температуры хранения в замороженном виде.
Самая длительная часть процесса замораживания — это удаление скрытой теплоты плавления, когда вода превращается в лед. Многие пищевые продукты чувствительны к скорости замораживания, что влияет на выход (обезвоживание), качество, пищевую ценность и органолептические свойства. Таким образом, выбранный метод и система замораживания могут иметь существенный экономический эффект.
При выборе методов и систем замораживания для конкретных продуктов учитывайте особые требования к обращению, производительность, время замораживания, качество, выход, внешний вид, первоначальную стоимость, эксплуатационные расходы, автоматизацию, наличие места, а также предшествующие и последующие процессы. В этой статье рассматриваются общие методы и системы замораживания.
Способы замораживания
Системы заморозки можно сгруппировать по основному способу извлечения тепла из пищевых продуктов:
- Шоковая заморозка (конвекция). Холодный воздух циркулирует над продуктом с высокой скоростью. Воздух отводит тепло от продукта и передает его в теплообменник воздух/хладагент перед рециркуляцией.
- Контактное замораживание (проводимость). Продукты питания, упакованные или неупакованные, размещаются на холодных металлических поверхностях или между ними. Тепло извлекается путем прямой проводимости через поверхности, которые непосредственно охлаждаются циркулирующей охлажденной средой.
- Криогенное замораживание (конвекция и/или проводимость). Продукты питания подвергаются воздействию окружающей среды ниже -60°С путем распыления жидкого азота или жидкого углекислого газа в морозильную камеру.
- Криомеханическое замораживание (конвекция и/или проводимость). Продукты питания сначала подвергаются криогенной заморозке, а затем окончательно замораживаются с помощью механического охлаждения.
Камеры шоковой заморозки
В аппаратах шоковой заморозки в качестве теплоносителя используется воздух, а их эффективность зависит от контакта продукта с воздухом. Сложность управления воздушным потоком и методов транспортировки варьируется от камер шоковой заморозки до тщательно контролируемых морозильников ударного действия.
Первые камеры шоковой заморозки представляли собой холодильные камеры с дополнительными вентиляторами и избытком холодильного оборудования. Улучшенный контроль воздушного потока и механизация методов транспортировки сделали теплообмен более эффективным, а поток продукта менее трудоемким. Хотя периодическое замораживание по-прежнему широко используется, более сложные морозильники интегрируют замораживание в непрерывную производственную линию. Замораживание технологической линии стало необходимым для крупнообъемных, высококачественных и экономически эффективных операций. Доступен широкий спектр систем шоковой заморозки, в том числе:
- Холодильные камеры хранения
- Стационарные туннельные камеры
- Морозильные камеры с проходной тележкой
- Морозильники с прямой лентой (двухступенчатые, многопроходные)
- Камеры с псевдосжиженным слоем
- Ленты с псевдоcжиженным слоем
- Спиральные ленточные морозильники
- Импульсные морозильники
- Морозильные камеры для картонных коробок
Холодильные камеры хранения
Хотя холодильное помещение не считается системой заморозки, иногда его используют для этой цели. Поскольку складское помещение не предназначено для использования в качестве морозильной камеры, его следует использовать для замораживания продуктов только в исключительных случаях. Замораживание обычно происходит настолько медленно, что страдает качество большинства продуктов. Качество уже замороженных продуктов, хранящихся в помещении, оказывается под угрозой, поскольку избыточная холодильная нагрузка может значительно повысить температуру замороженных продуктов. Кроме того, могут передаваться ароматы теплых продуктов.
Стационарные туннельные камеры
Стационарная туннельная камера — это простейшая морозильная камера, от которой можно ожидать удовлетворительных результатов для большинства продуктов. Это изолированный корпус, оснащенный охлаждающими змеевиками и осевыми или центробежными вентиляторами, которые контролируемым образом циркулируют воздух над продуктами.
Продукты обычно укладывают на лотки, которые затем устанавливают на стеллажи так, чтобы между соседними слоями лотков оставалось воздушное пространство. Стеллажи перемещаются в туннель и из него вручную с помощью устройства для перемещения поддонов. Важно расположить стойки так, чтобы обход воздуха был минимизирован.
Стационарная камера является универсальной морозильной камерой, поскольку в ней можно заморозить практически все продукты. Овощи и другие продукты (например, хлебобулочные изделия, мясные котлеты, рыбное филе, полуфабрикаты) можно замораживать как в картонных коробках, так и без упаковки и разкладывать слоем на противнях. Однако потери продукта из-за разлива, повреждения и обезвоживания могут быть больше, а качество продукта может снизиться.
В некоторых случаях этот тип морозильной камеры также используется для снижения температуры до -18 °С или ниже температуры упакованных на поддоны и упакованных продуктов, которые ранее были заморожены за счет скрытой теплоты зоны плавления другими способами. Гибкость туннельной камеры делает ее подходящей для небольших количеств различных продуктов; однако потребность в рабочей силе относительно высока, а движение продукции происходит медленно.
Морозильные камеры с проходной тележкой
Морозильник с проходной тележкой, в котором стеллажи оснащены колесами, имеет умеренную степень механизации. Стеллажи обычно перемещаются по рельсам с помощью толкающего механизма, который может иметь гидравлический или электрический привод. Этот тип морозильной камеры аналогичен стационарной камере, за исключением того, что снижаются трудозатраты и время обработки продукции. Эта система широко используется для заморозки (быстрого охлаждения) упакованных упаковок сырой птицы и продуктов неправильной формы. Другая версия использует цепной привод для перемещения тележек по морозильной камере.
Морозильники с прямой лентой
Первые механизированные камеры шоковой заморозки представляли собой ленточный конвейер с проволочной сеткой в дробеметной камере, что удовлетворяло потребность в непрерывном потоке продукта. Недостатком этих ранних систем был плохо контролируемый поток воздуха и, как следствие, неэффективная теплопередача.
В текущих версиях используется контролируемый вертикальный поток воздуха, который нагнетает холодный воздух через слой продукта, тем самым создавая хороший контакт с частицами продукта. Морозильные камеры с прямой лентой обычно используются для хранения фруктов, овощей, картофеля-фри, приготовленных мясных начинок (например, нарезанной кубиками курицы) и приготовленных креветок.
Основная конструкция представляет собой двухступенчатый ленточный морозильник, который состоит из двух последовательно соединенных сетчатых конвейерных лент. Первый конвейер первоначально предварительно охлаждает или замораживает внешний слой или корку для кондиционирования продукта перед его передачей на второй конвейер для замораживания до температуры -18 °С или ниже. Перенос между лентами помогает перераспределить продукт на ленте и предотвращает прилипание продукта к ленте. Чтобы обеспечить равномерный контакт холодного воздуха и эффективное замораживание, продукты следует распределять равномерно по всей ленте.
Двухступенчатые морозильники обычно работают при температуре хладагента от -10 до -32°С в секции предварительного охлаждения и от –32 до –40°F в секции заморозки. Производительность варьируется от 1 до 50 тонн продукта в час, время заморозки от 3 до 50 минут. Если продукты, подлежащие замораживанию, горячие (например, картофель фри из фритюрницы при температуре от 80 до 100 °С), перед обычной секцией предварительного охлаждения добавляется еще одна секция охлаждения. В эту секцию подается либо охлажденный воздух температурой примерно 10 °С, либо фильтрованный окружающий воздух для охлаждения продукта и застывания жира. Предпочтителен охлажденный воздух, поскольку фильтрованный окружающий воздух имеет большие колебания температуры и может загрязнить продукт.
Многопроходные морозильники с прямой лентой
Для более крупных продуктов с более длительным временем замораживания (до 60 минут) и более высокими требованиями производительности (от 0,5 до 6 тонн/час) морозильная камера с одной прямой лентой потребует очень большой площади. Требуемую площадь можно уменьшить, укладывая ремни друг над другом, образуя либо (1) многопроходную систему с одной подачей/одним выпуском (обычно три прохода), либо (2) несколько однопроходных систем (несколько подач и разгрузок), сложенных друг на друга. поверх другого. Многопроходная (трехпроходная) схема обеспечивает еще одно преимущество, заключающееся в том, что продукт после поверхностного замораживания на первой (верхней) ленте может быть уложен более глубоко на нижних лентах. Таким образом, общая требуемая площадь ленты уменьшается, как и общий размер морозильной камеры. Однако эта система может привести к повреждению продукта и застреванию продукта на ленточных транспортерах.
Морозильные камеры с псевдоcжиженным слоем
В этой морозильной камере воздух используется как в качестве носителя тепла, так и в качестве средства транспортировки; продукт проходит через морозильную камеру на подушке восходящего холодного воздуха. Эта конструкция хорошо подходит для небольших продуктов с частицами одинакового размера, таких как горох, нарезанные кубиками овощи и мелкие фрукты. Высокая степень псевдоcжижения улучшает скорость теплопередачи и позволяет эффективно использовать площадь помещения.
Этот метод ограничен хорошо обезвоженными продуктами одинакового размера, которые можно легко псевдоcжижать и транспортировать через зону замораживания. Поскольку принцип зависит от быстрого замерзания продукта, рабочая температура хладагента должна быть -40 °С или ниже, что дает температуру воздуха -30 °С или ниже.
Морозильные камеры с псевдоcжиженным слоем обычно производятся в виде упакованных агрегатов заводской сборки с производительностью от 1 до 10 тонн/час. Продукты в виде твердых частиц обычно имеют время замораживания от 3 до 15 минут.
Ленточные морозильники с псевдоcжиженным слоем
Гибрид двухступенчатой ленточной морозильной камеры и морозильной камеры с псевдоcжиженным слоем, морозильная камера с псевдоcжиженным слоем имеет секцию псевдоcжижения на первой ленточной ступени. Повышенное сопротивление воздуха создано под первой лентой, чтобы обеспечить условия псевдоcжижения для поступающего влажного продукта, но лента предназначена для транспортировки более тяжелых и менее однородных продуктов, которые не псевдоcжижаются полностью.
После замерзания корочки продукт можно загружать глубже для большей эффективности на втором конвейере. Двухступенчатые ленточные морозильники с псевдоcжиженным слоем работают при температуре хладагента от –34 до –37 °С и имеют производительность от 1 до 50 тонн/час. Хорошая оценка по порядку величины общей холодильной нагрузки для индивидуально быстрозамороженных морозильников составляет 40 тонн охлаждения на тонну продукта в час. Небольшие морозильники требуют примерно на 10–15% большей производительности на тонну продукта в час.
Спиральные ленточные морозильники
Эта морозильная камера обычно используется для продуктов с длительным временем замораживания (обычно от 10 минут до 3 часов), а также для продуктов, требующих бережного обращения во время замораживания. Бесконечная конвейерная лента, которая может изгибаться вбок, намотана цилиндрически, на один ярус ниже последнего; эта конфигурация требует минимальной площади для относительно длинной ленты. В оригинальном принципе спиральной ленты для ее транспортировки используется система спиральных направляющих, хотя в более поздних конструкциях используется запатентованная самоукладывающаяся лента, требующая меньшего зазора над головой. Количество ярусов в спирали можно варьировать в зависимости от производительности. Кроме того, для продуктов с длительным временем замораживания можно последовательно использовать две или более спиральные башни.
Спиральные морозильники доступны с различной шириной ленты и производятся в виде комплектных, модульных моделей и моделей, монтируемых на месте, с учетом различных технологических процессов и требований к производительности. Воздушный поток варьируется от открытых спиральных конвейеров без перегородок до обширных перегородок и вентиляторов высокого давления. Горизонтальный поток воздуха подается в спиральные морозильники с помощью осевых вентиляторов, установленных вдоль одной стороны. Вентиляторы продувают воздух горизонтально по спиральному конвейеру с минимальными перегородками, ограниченными двумя частями окружности спирали. Вращение клетки и ленты создает эффект гриля, при этом продукт проходит мимо высокоскоростного холодного воздуха рядом с выпускным отверстием, способствуя равномерному замораживанию.
Доступно несколько запатентованных конструкций для управления потоком воздуха. Одна конструкция (Рисунок 8) имеет антресольный этаж, разделяющий морозильную камеру на две зоны давления. Перегородки вокруг внешней и внутренней части ленты образуют воздуховод, благодаря которому воздух течет вверх или вниз вокруг продукта по мере его перемещения по конвейеру. Контролируемый поток воздуха сокращает время замораживания некоторых продуктов.
Другая конструкция (Рисунок 9) разделяет воздушный поток таким образом, что самый холодный воздух контактирует с продуктом как на входе, так и на выходе из морозильной камеры. Самый холодный воздух, подаваемый на входящий теплый продукт, может увеличить поверхностный теплообмен и быстрее заморозить поверхность, что может уменьшить обезвоживание продукта.
Типичные продукты, замораживаемые в спирально-ленточных морозильных камерах, включают котлеты из сырого и вареного мяса, рыбное филе, куриные порции, пиццу и различные упакованные продукты. Спиральные морозильники доступны в широком диапазоне мощностей: от 0,5 до 10 тонн/час. Они доминируют в современной индустрии замороженных продуктов и составляют большую часть производства неупакованных замороженных продуктов без частиц, а также многих упакованных продуктов.
Импульсные морозильники
В этой конструкции холодный воздух течет перпендикулярно самым большим поверхностям продукта с относительно высокой скоростью. Воздушные сопла с соответствующими возвратными каналами установлены над и под конвейерами. Воздушный поток постоянно нарушает пограничный слой, окружающий продукт, повышая скорость поверхностной теплопередачи. Таким образом, этот метод может сократить время замораживания продуктов с большим отношением поверхности к массе (например, тонкие котлеты для гамбургеров). Импульсные морозильники имеют однопроходные или многопроходные прямые ленты. Время замораживания составляет от 1 до 10 минут. Экономически эффективное применение ограничено тонкими пищевыми продуктами (толщиной менее 1 дюйма).
Морозильники для картонной тары
Морозильная камера для картонных коробок (или контейнеров) представляет собой морозильную камеру очень высокой производительности (от 5 до 20 тонн/час) для средних и больших коробок таких продуктов, как красное мясо, птица и мороженое. Эти агрегаты также используются в качестве охладителей для мясных продуктов и сыров.
В верхней части морозильной камеры ряд загруженных контейнеров для продуктов сдвигается к задней части морозильной камеры, а в нижней части они возвращаются вперед. Подъемные механизмы расположены с обоих концов. Переноска похожа на книжный шкаф с полками. Когда он перемещается в загрузочно-разгрузочную часть морозильной камеры, уже замороженный продукт выталкивается с каждой полки по одному ряду на разгрузочный конвейер.
Когда держатель перемещается вверх, эта полка выравнивается со станцией загрузки, где новые продукты постоянно помещаются на держатель, прежде чем он снова переместится в заднюю часть морозильной камеры. Охлажденный воздух циркулирует по картонным коробкам за счет принудительной конвекции. Обычно воздух и продукт располагаются в перекрестном потоке, но в некоторых конструкциях воздух течет либо вместе с продуктом, либо против него (т. е. по длине морозильной камеры).
Теперь доступны компьютеризированные системы для управления загрузкой, разгрузкой и перемещением полок для одновременного замораживания и/или охлаждения продуктов с разным временем хранения в одном и том же устройстве. Такая повышенная гибкость особенно полезна и экономически эффективна там, где преобладают разные размеры и нарезки (например, красное мясо и продукты из птицы).
Контактные морозильники
Основным средством передачи тепла в контактной морозильной камере является проводимость; продукт или упаковка находятся в прямом контакте с охлаждаемой поверхностью.
Наиболее распространенным типом контактной морозильной камеры является морозильная камера с контактными пластинами, в которой продукт запрессовывается между металлическими пластинами. Хладагент циркулирует внутри каналов в пластинах, что обеспечивает эффективную передачу тепла и приводит к сокращению времени замораживания при условии, что продукт является хорошим проводником тепла, как в случае с рыбным филе, рубленым шпинатом или мясными субпродуктами. Однако пакеты или полости должны быть хорошо заполнены, а если используются металлические лотки, они не должны деформироваться.
Ручные и автоматические плиточные морозильники
Морозильники с контактными пластинами доступны в горизонтальном или вертикальном исполнении с ручной загрузкой/выгрузкой. Горизонтальные плиточные морозильники также доступны в версии с автоматической загрузкой/разгрузкой, которая обычно обеспечивает большую производительность и непрерывную работу. Преимущество хорошей теплопередачи в морозильниках с контактными пластинами постепенно снижается с увеличением толщины продукта. По этой причине толщина часто ограничивается 2–3 дюймами.
Морозильные камеры с контактными пластинами работают эффективно, поскольку им не нужны вентиляторы, они очень компактны и нет дополнительной теплопередачи между хладагентом и теплоносителем. Преимущество упакованных продуктов состоит в том, что давление пластин сводит к минимуму любое возможное вздутие. Таким образом, пакеты получаются ровными и квадратными в пределах жестких допусков. Автоматические плиточные морозильники производительностью до 200 упаковок в минуту, время замораживания от 10 до 150 минут. Когда требуются большие мощности, морозильные камеры размещаются последовательно с соответствующими конвейерными системами для загрузки и разгрузки упаковок.
Специализированные контактные морозильники
Комбинация воздушной и контактной заморозки используется для влажного рыбного филе и аналогичных мягких, влажных продуктов с относительно большими плоскими поверхностями. Непрерывная сплошная лента из нержавеющей стали обычно имеет ширину от 4 до 6 футов и длину до 100 футов. Продукт загружается на ленту на одном конце морозильной камеры, а затем в фиксированном положении перемещается через зону замораживания к разгрузочному концу. Замораживание обычно достигается как за счет проводимости через ленту к охлаждающей среде под лентой, так и за счет конвекции через контролируемый поток воздуха над лентой или за счет конвекции только за счет высокоскоростного воздуха над и под лентой.
Эта конструкция морозильной камеры производит привлекательный продукт, но недостатком является физический размер морозильной камеры. Производительность по типичным продуктам обычно ограничивается от 1 до 2,5 тонн/час, при этом время замораживания составляет менее 30 минут. Другая специализированная контактная морозильная камера транспортирует пищевые продукты на сплошной пластиковой пленке поверх низкотемпературной (-40 °С) охлаждаемой пластины. При контакте с пленкой примерно за 1 мин замерзают нижние 0,04 дюйма изделия. Это оборудование используется для устранения деформации продукта или маркировки проволочной сетки на плоских, влажных и липких, мягких продуктах или продуктах, требующих ручной обработки перед подачей в морозильную камеру с воздушным охлаждением. Еще одним преимуществом контактного предварительного замораживания является то, что оно снижает потери от обезвоживания на последующем этапе замораживания. Примерами продуктов, подходящих для контактной предварительной заморозки, являются маринованные куриные грудки без костей и тонкое рыбное филе.
Криогенные морозильники
Криогенная (или газовая) заморозка часто является альтернативой (1) мелкомасштабному производству, (2) новым продуктам, (3) ситуациям перегрузки или (4) сезонным продуктам. В криогенных морозильниках в качестве охлаждающей среды используется жидкий азот или жидкий диоксид углерода (CO2), и морозильники могут представлять собой периодические шкафы, морозильники с прямой лентой, спиральные конвейеры или морозильники с погружной жидкостью.
Морозильные камеры с жидким азотом
Наиболее распространенным типом морозильной камеры с жидким азотом является прямоточный одноленточный туннель технологической линии. Жидкий азот температурой -195 °C вводится на выходе из морозильной камеры непосредственно на продукт; по мере испарения жидкого азота эти холодные пары циркулируют к входному концу, где они используются для предварительного охлаждения и первоначального замораживания продукта. «Нагретые» пары (обычно -45 °C) затем выбрасываются в атмосферу.
Низкая температура жидкого и парообразного азота обеспечивает быстрое замораживание, что позволяет улучшить качество и уменьшить обезвоживание некоторых продуктов. Однако стоимость замораживания высока из-за стоимости криогена, а поверхность продуктов с высоким содержанием воды может треснуть, если не принять меры предосторожности. Расход жидкого азота находится в пределах от 0,9 до 2,0 фунта азота на фунт продукта, в зависимости от содержания воды и температуры продукта. Хотя это приводит к относительно высоким эксплуатационным расходам, небольшие первоначальные инвестиции делают морозильники с жидким азотом экономически эффективными для некоторых применений.
Углекислотные морозильники
Подобный метод криогенной заморозки приводит к прямому контакту кипящего (сублимирующего) CO2 с продуктами, замороженными в морозильной камере с прямой лентой или спиралью. Углекислый газ кипит при температуре примерно -80 °C, и система работает как система замораживания жидким азотом, потребляя криогенную жидкость при замораживании продукта. Применение заморозки CO2 включает производство индивидуальной быстрозамороженной нарезанной кубиками птицы, начинок для пиццы и морепродуктов.
Криомеханические морозильники
Хотя этот метод не нов, применение криомеханической заморозки (сочетания криогенной и шоковой заморозки) расширяется. Эти системы обычно используются для дорогостоящих липких продуктов, таких как креветки, а также влажных, деликатных продуктов, таких как клубника и ягоды тростника.
Типичная криомеханическая морозильная камера имеет начальный этап погружения, на котором продукт проходит через ванну с жидким азотом для закрепления поверхности продукта. Такое быстрое замораживание поверхности снижает обезвоживание и улучшает характеристики продукта при обращении с ним, тем самым сводя к минимуму прилипание и комкование.
Затем криогенно замороженный продукт с корочкой переносят непосредственно в механическую морозильную камеру, где удаляется оставшееся тепло и температура продукта снижается до -18 °C или ниже. Криогенная ступень иногда модернизируется в существующие механические морозильники для увеличения их мощности. Этап механического замораживания снижает эксплуатационные расходы по сравнению с этапом только криогенного замораживания.
Критерии выбора морозильной камеры
Надежность
Из-за суровых условий эксплуатации система замораживания, пожалуй, является самым уязвимым оборудованием технологической линии. Технологическая линия обычно включает в себя только одну морозильную камеру, что делает надежность основной проблемой. Для достижения нормального срока службы оборудования системы замораживания должны быть спроектированы и изготовлены с адекватными коэффициентами безопасности для электрических/механических компонентов и с использованием материалов, способных выдерживать суровые условия эксплуатации и суровые условия эксплуатации.
Гигиена
Удобство очистки и санитарный дизайн так же важны, как и надежность. Системы замораживания должны (1) иметь минимальное количество мест, где продукт может подвешиваться, (2) быть изготовлены из некоррозионных, безопасных материалов и (3) быть оборудованы ручными и/или автоматическими системами санитарной обработки для промывки и очистки.
Если оборудование не подвергается или не может быть должным образом очищено и продезинфицировано, это может привести к загрязнению продукта. Эти особенности особенно важны для охлажденных, частично приготовленных и полностью приготовленных продуктов, которые невозможно полностью разогреть или подготовить должным образом перед употреблением.
Качество
На качество обработанных пищевых продуктов влияют физические изменения, а также скорость микробиологической активности и химических реакций, на каждую из которых влияет скорость изменения температуры.
Процесс замораживания физически изменяет пищевой продукт. Скорость физических изменений или время замораживания определяют размер образующихся кристаллов льда. При низкой скорости замерзания первоначально образовавшиеся кристаллы льда могут вырасти до относительно больших размеров. Быстрое замораживание приводит к засеиванию большего количества кристаллов меньшего среднего размера. Однако кристаллы льда разного размера образуются из-за того, что поверхность продукта замерзает быстрее, чем его внутренние части. Крупные кристаллы льда могут повредить клеточные стенки продукта, что обычно увеличивает потерю сока при оттаивании. Для некоторых продуктов это может сильно повлиять на текстуру и вкус оставшейся ткани продукта.
Влияние времени замораживания для некоторых продуктов более очевидно, чем для других. Для клубники более короткое время заморозки может значительно уменьшить потери с капель. Потеря влажности составляет 20% для клубники, замороженной за 12 часов, и только 8% для клубники, замороженной за 15 минут. Криогенные системы выполняют ту же функцию замораживания за 8 минут или меньше, сокращая потери влажности до менее чем 5%.
Правильно применяемая механическая, криогенная или криомеханическая морозильная камера может быстро заморозить продукты до льда, сводя к минимуму потери натуральных соков, ароматических и вкусовых эссенций и сохраняя более высокое и более товарное качество продукта. Кроме того, более низкая температура хранения и меньшее количество менее резких температурных колебаний, как правило, помогают сохранить качество. Однако длительное хранение может свести на нет все преимущества более быстрого замораживания.
Экономика
Хотя морозильная камера часто представляет собой самую крупную инвестицию в линию, ее эксплуатационные расходы обычно составляют всего от 3 до 5% от общей суммы. Стоимость упаковки может сильно различаться, но обычно в несколько раз превышает общую стоимость заморозки.
Одним из важных факторов, который следует учитывать при выборе морозильного оборудования, является потеря массы продукта, возникающая при замораживании. Стоимость этой потери может быть примерно такой же, как стоимость эксплуатации морозильной камеры для недорогих продуктов, таких как горох; потеря еще более значительна для дорогих продуктов, таких как морепродукты.
Потеря массы продукта при замораживании может быть вызвана механическими потерями, ухудшением качества, обезвоживанием (усадкой). Механические потери происходят из-за падения продукции на пол или прилипания к конвейерной ленте и специфичны для каждого перерабатывающего предприятия. Современная морозильная камера должна производить минимальные потери в этой категории. Потери от понижения категории относятся к повреждению продукта, поломке и другим событиям, которые делают продукт непригодным для продажи по цене высшего качества. Для большинства продуктов современная система заморозки должна нести минимальные потери от порчи и поломки.
Потери из-за обезвоживания происходят в любой системе замораживания. Испарение водяного пара из неупакованных продуктов при замораживании становится очевидным по мере образования инея на поверхностях испарителя. Причиной замерзания также является чрезмерное проникновение теплого влажного воздуха в морозильную камеру. Неподвижный воздух внутри диффузионно-непроницаемой коробки часто приводит к большим потерям при обезвоживании, чем индивидуальная быстрая заморозка неупакованных продуктов. Теплопередача плохая, поскольку внутри упаковки не происходит циркуляции воздуха. Возникающее в результате испарение влаги может быть значительным; однако иней остается внутри коробки.
Неупакованные пищевые продукты невозможно охладить или заморозить без потери хоть какой-то влаги. Наиболее важным фактором, влияющим на обезвоживание пищевых продуктов, является время, необходимое для замораживания продукта: чем быстрее замораживание (в пределах практических и финансовых ограничений), тем меньше усадка при обезвоживании и тем выше качество.
Большинство механических поточных морозильников имеют скорость, сопоставимую со скоростью криогенных: например, от 12 до 15 минут для котлет для гамбургеров в механической спиральной морозильной камере по сравнению с 8-10 минутами в криогенной морозильной камере. В большинстве распространенных методов механического замораживания неупакованных продуктов в качестве теплоносителя используется воздух; количество влаги, поглощаемой воздухом, зависит от температуры и давления.
В воздухе влага утекает из областей с высоким давлением пара или высокой температурой (например, пищевых продуктов) в области с более низким давлением или температурой (например, воздух). Более высокие температуры воздуха увеличивают вероятность потери влаги продуктом, но только во время первоначального замораживания, до того, как внешняя корка замерзнет или закроется льдом.
Многие производители используют высокие температуры испарителя для снижения затрат на электроэнергию; В сочетании с большими объемами воздуха и температурой воздуха, близкой к температуре хладагента, этот метод имеет дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении обезвоживания пищевых продуктов. Более низкие температуры испарителя имеют тенденцию удалять больше влаги из воздуха, что, в свою очередь, приводит к большему удалению влаги из продукта. Полезно использовать минимально достижимое повышение температуры воздуха; для механических систем старайтесь поддерживать разницу температур между воздухом в змеевике и хладагентом на уровне -12 … -16 °С. Увеличение количества воздуха также помогает уменьшить усадку. Поток воздуха вокруг продукта должен распределяться равномерно, чтобы обеспечить хорошую теплопередачу.
Потери от капель варьируются в зависимости от исходного качества продукта, количества доступной влаги на поверхности или продукта и времени замораживания. Более быстрое время замораживания уменьшает потери капель за счет герметизации поверхности. Скорость диффузии влаги и то, насколько легко продукт выделяет влагу в воздух, также влияют на усадку. Различные продукты имеют разную скорость диффузии влаги, которую сложно оценить или измерить.
Плохо спроектированная система замораживания неупакованных продуктов работает с потерями при обезвоживании от 3 до 4%, но хорошо спроектированные системы механической или криогенной заморозки могут работать с потерями около 0,5%. Туннели с жидким азотом обычно работают с потерями при обезвоживании примерно от 0,4 до 1,25%, что происходит, когда газообразный азот циркулирует над продуктом на входном конце морозильной камеры. Иногда необходима циркуляция подачи, чтобы закалить продукт и наиболее эффективно использовать теплоемкость азота.
Азотные погружные морозильники имеют меньшие потери при обезвоживании, но используют больше жидкого азота. Морозильник CO2, использующий струйное воздействие, работает с потерями при обезвоживании примерно от 0,5 до 1,25%. В общем, чем быстрее снижается температура поверхности продукта, тем ниже скорость обезвоживания. Хотя относительная влажность воздуха влияет на обезвоживание при хранении в замороженном виде, она мало влияет на скорость обезвоживания при замораживании.
Холодильные системы
Большинство механических морозильников для пищевых продуктов используют аммиак в качестве хладагента и оснащены либо испарителями с подачей жидкости, либо испарителями с гравитационным затоплением. Выбор системы испарителя зависит от размера и конфигурации морозильной камеры, ограничений по пространству, расположения морозильной камеры, существующих систем установки (где применимо), относительной стоимости и предпочтений конечного пользователя.
Для систем с тремя или более испарителями система подачи жидкости обычно менее затратна в установке и эксплуатации. Испарители можно размораживать водой, горячим газом или их комбинацией. Системы размораживания могут быть ручными, с ручным запуском/автоматическим запуском или полностью автоматическими. Размораживание змеевика может происходить при смене смены или быть последовательным, чтобы морозильная камера оставалась в непрерывной работе в течение длительного времени.
Выбор системы размораживания зависит от требований к оборудованию и продукту, ситуации с водоснабжением и водоотведением, санитарных норм и предпочтений конечного пользователя. При использовании системы избыточной подачи жидкости тщательно продумайте размер линии охлаждения и возможные потери статического напора, если рециркулятор избыточной подачи жидкости находится далеко от морозильной камеры. Расположение оборудования рециркуляции жидкости рядом с испарителями и под ними обеспечивает максимально эффективную и производительную работу морозильного оборудования. В частности, вертикальные стояки во влажных всасывающих линиях могут привести к застою жидкости (задержке), что приведет к чрезмерному падению давления.
Расчетная температура испарителя морозильной камеры должна выбираться так, чтобы обеспечить наименьшие общие капитальные и эксплуатационные затраты на морозильную камеру и другие компоненты охлаждения на стороне высокого и низкого давления, оставаясь при этом в соответствии с требованиями к продукту и другими условиями эксплуатации предприятия. Если в морозильную камеру происходит значительная инфильтрация воздуха, то могут потребоваться специальные конструкции змеевиков воздушного охлаждения с большим расстоянием между ребрами (или шахматным расположением ребер), чтобы избежать чрезмерного ухудшения производительности из-за обледенения.
В механической системе использование температуры испарителя –45 °C вместо –40 °C увеличивает счета за коммунальные услуги примерно на 15%. Система с более низкой температурой испарителя может иметь немного более высокие первоначальные затраты, но приведет к значительно меньшей усадке. При температурах ниже –40 °C следует рассмотреть возможность использования каскадной системы охлаждения CO2/NH3, которая может оказаться менее дорогой, чем двухступенчатая система NH3.
Системы управления
Современные конвейерные морозильники оснащены программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) и/или компьютерными системами управления, которые могут отслеживать и контролировать ключевые элементы работы морозильника для максимизации производительности, качества продукции и безопасности.
К объектам, подлежащим мониторингу и контролю, относятся скорость ленты, температура воздуха и хладагента, давление воздуха и хладагента, циклы размораживания испарителя, моечные и сушильные машины, ток электродвигателей, функции безопасности и сигнализации, а также другие переменные, характерные для замораживаемых продуктов.
Наличие электронного управления само по себе не гарантирует работоспособность морозильной камеры; люди-операторы по-прежнему необходимы. Количество и специализация требуемых операторов зависит от размера предприятия и количества морозильников. На небольшом заводе может быть совместный оператор, занимающийся производством ленточных конвейеров и охлаждением. На более крупных предприятиях оператор морозильной камеры может контролировать производство, в то время как специалист занимается циклом охлаждения. Для долгосрочного успеха необходимы хорошо обученные, знающие операторы, которые вносят необходимые коррективы по мере возникновения изменений в процессе.
Обслуживание
Системы заморозки работают в суровых условиях, в которых некоторые компоненты скрыты от глаз корпусом и продуктом. Многие морозильники работают от 5000 до 7000 часов в год. Лучшие морозильники имеют прочную конструкцию и спроектированы так, чтобы их было легко обслуживать. Тем не менее, хорошо организованная программа технического обслуживания имеет важное значение для производительности и безопасности.
Производители морозильников регулярно поставляют руководства по эксплуатации и техническому обслуживанию с основными инструкциями, информацией о компонентах, списками деталей, а также предложениями по техническому обслуживанию, проверкам и задачам безопасности. Производители также предоставляют программы обучения для специалистов по техническому обслуживанию.
Для предприятий важно иметь достаточное количество должным образом обученных специалистов по техническому обслуживанию для обслуживания всех систем. В обязанности входят предписанные проверки, плановые задачи по техническому обслуживанию, устранение неисправностей и необходимое техническое обслуживание в непроизводственные периоды. В зависимости от размера предприятия техническими специалистами могут быть отдельные механики, электрики и специалисты по холодильному оборудованию или их комбинация.
Предлагается, чтобы предприятия нанимали службы по контракту, когда они не в состоянии адекватно выполнять какие-либо или все функции технического обслуживания и эксплуатации собственным персоналом.