Заморозка

Виды морозильного оборудования и способы замораживания продуктов.

Холодильное оборудование предназначено для охлаждения и хранения пищевых продуктов в соответствии технологическими нормативами и требованиями заказчика.

Оборудование для процессов замораживания обычно называется морозильным оборудованием.

По способам замораживания продуктов в зависимости от контакта с хладагентами можно разделить на 2 основные группы:

• воздушное замораживание
• с использованием охлаждающих средств

Воздушное замораживание это:

• Морозильные камеры с естественной циркуляцией воздуха
• Скороморозильные камеры (интенсивная скорость обдува воздухом)
• Туннельные аппараты,
• Конвейерные холодильные аппараты (с ленточным или спиральным конвейером)
• Флюидизационные (в потоке холодного воздуха — в «кипящем слое»).

К замораживанию с использованием охлаждающих сред относятся:

• Плиточные аппараты (горизонтальные и вертикальные)
• Погружные аппараты (в охлаждающую жидкость погружают замораживаемый продукт),
• Криогенные аппараты
• Аппараты для замораживания жидких продуктов-фризеры.

Помимо этого существуют комбинированные способы замораживания продукции.

Замораживание продукции обычно делится на 3 этапа:

Первый этап — охлаждение, в это время продукт охлаждается в начально температуры 0 °С. Снижение температуры продукта здесь идет пропорционально количеству работы по отбору тепла.

Второй этап — подмораживание, происходит из жидкой фазы в твердую при температурах от 0 до −5 °С преодолевая криоскопическую точку. Максимальный отбор тепла у продукта, при этом температура продукта практически не снижается, и происходит кристаллизация 70% жидких фракций продукта.

Третий этап — домораживание продукта от −5 до −18 °С. Происходит окончательный переход оставшихся жидких фракций в твердые фракции

Обычная технология замораживания, осуществляется в низкотемпературных холодильных камерах, при температуре −18 ÷ −24 °С. Время заморозки составляет 2,5 часа и выше. При замораживании продукта главную роль имеет скорость процесса. Всем известна прямая зависимость качества продукта от скорости замораживания. Экспериментальные замеры свидетельствуют о влиянии скорости замораживания на размеры кристаллов льда, на структурные и ферментативные изменения в продуктах.

Заморозка шоковая  представляет собой ускорение режимов охлаждения, подмораживания и домораживания продуктов (см. рис. 1 кривая 2). Данное ускорение обеспечивается посредством увеличения скорости отбора тепла у продукта:

• снижение в камере до −30 ÷ −35 °С;
• увеличения скорости обдува продуктов воздухом.

При этом дальнейшее снижение температуры в камере приводит большим затратам мощности и усилениям деформациям продукта. Заморозка шоковая считается одним из самых лучших способов сохранения продуктов.

Воздушное замораживание

Наибольшее распространение имеет холодильное оборудование , где в камере продукт замораживается с помощью воздухом (воздушные морозильные аппараты).

Продукцию равномерно размещают в охлаждаемом объеме (на паллетах, стеллажах или подвесах) , чтоб она обдувались во всех сторон потоком воздуха. Циркуляцию воздуха камере обеспечивают вентиляторы воздухоохладителей.

Такой тип морозильной камеры работает циклами, загрузка и выгрузка продукта происходит вручную. Есть и более сложные варианты воздушных морозильных камер непрерывного действия. Такие камеры наиболее рационально использовать для замораживания продуктов больших размеров когда возрастает время процесса или где имеется большой объем продукции

В воздушных морозильных камерах существуют различные схемы движения воздуха. Наиболее часто используется горизонтальный обдув продукта, но иногда применяют вертикальную, для равномерного обдува всей продукции.

В камерах непрерывного действия направление обдува воздухом и направление перемещения продуктов могут быть встречными, параллельными или перекрестными. Встречные и перекрёстные конфигурации обычно для минимального нагрева охлаждающего воздуха в камере.

Способы размещения продукта и подачи относительно потока воздуха зависит от их размера, формы и упаковки.

Достоинства воздушных морозильных камер:

• простота конструкции
• минимальные стоимости оборудования

Недостатки:

• необходимость использования мощных вентиляторов, ограниченные размеры по длинам камеры
• усушка неупакованной продукции или возможная деформация упакованной продукции
• значительное время замораживания более габаритных продуктов

Морозильные камеры с естественным движением воздуха

Морозильная камера представляет собой теплоизолированное помещение, оборудованное статическими воздухоохладителями (испарителями без вентиляторов).

Такие камеры обычно используют для замораживания крупных продуктов, когда скорость замораживания ограничена толщиной продукта.

Продукт укладывается штабелями на полу, на стеллажах или подвешивают в камере. В отличие от заморозки шоковой, тут воздух циркулирует с минимальной скоростью.

Достоинства камер с естественной циркуляцией воздуха:

• Универсальность;
• простота конструкции;
• небольшая скорость испарения влаги с поверхности;
• небольшое потребление энергии.

Недостатки камер с естественной циркуляцией воздуха: большая продолжительность замораживания, обильное выделение клеточного, потеря в показателях физических, биохимических свойств и вкусовых качеств продукта (из-за образования больших кристаллов воды в продукте нарушается целостность мембран клеток), неоднородность температуры по камере

Скороморозильные камеры с интенсивным движением воздуха

Скороморозильные камеры предназначены для замораживания продуктов крупного и среднего размеров любой формы. Основным принципом шоковой заморозки является ускоренное преодоление всех этапов замораживания продукта

Продукт раскладывают на полках тележек или подвешивают так, чтобы он равномерно со всех сторон обдувался воздухом.

В камерах располагаются воздухоохладители с принудительным движением воздуха со от 3м/с. При этом для обеспечения правильной циркуляции воздуха необходимо организовывать направленное движение воздуха ,путем установки фальш-потолока или фальш-стен, который возвращает воздух забравший тепло от продукта обратно к испарителю для охлаждения, при этом не давая теплому и холодному потоку перемешиваться и сбивать скорость.

Достоинства:

• Сохраняется структура тканей — кристаллы льда формируются меньших размеров и практически одновременно в клетке и межклеточных перегородках (клетки остаются неповрежденными)
• За счет скорости замораживания сокращаются и периоды активности бактериологической среды
• уменьшаются потери продукта в 2-3 раза;
• сокращается время заморозки в 3-10 раз;
• сокращаются производственные площади в 1,5-2 раза;
• сокращается производственный персонал на 25-30 %;
• сокращается срок окупаемости на 15-20 %;

Минусы — сложность организации большой скорости обдува при большом количестве продукта

Туннельные скороморозильные аппараты

В туннельных скороморозильных аппаратах имеется конвейерная система, которая обеспечивает движение по туннелю, автоматическую загрузку и разгрузку продукта. В этом случае воздух подается в охлаждаемый объем, в котором движется продукт.

Для одинаковой скорости замораживания продукт должен иметь одинаковые размеры и формы. При использовании в туннели разных лотков появляется возможность одновременного замораживания продуктов разных размеров.

Конвейерные морозильные аппараты

В конвейерных скороморозильных аппаратах продукты укладывают на ленту конвейера или в металлические лотки, продукт перемещается непрерывно или циклически с помощью конвейеров типа: ленточного, цепного, лоткового, и др., непрерывно или циклически.

Скорость движения конвейера регулируется в зависимости от вида и размера продукта.Конвейеры как правило располагаются друг над другом. Продукт подают на верхний конвейер, затем переводится на более нижний ярус, движущийся в обратном направлении, и т. д.

Толщина замораживаемых продуктов может достигать до 80 мм, а длина и ширина до 200×150 мм масса продукта может достигать до 1кг и время замораживания до 3 часов. Такие аппараты позволяют замораживать до 80% ассортимента продуктов, Также возможно замораживание растительных продуктов — грибов, клубники, персиков, абрикосов, и т,д;

Достоинства: гибкость в работе, компактность, высокий уровень автоматизации.

Спиральные скороморозильные аппараты

Спиральные аппараты — это разновидность конвейерных скороморозильных аппаратов , в которых лента по спирали вдоль вращающегося барабана опускается вниз (до 50 ярусов в высоту).

Организация воздушного потока в таком оборудовании может быть как горизонтальной так и вертикальной.

Спиральные аппараты подходят для заморозки штучной пищевой продукции: котлеты, пельмени, манты, блинчики, вторые блюда на подложке, рыбы, филе, крабовые палочки. Шоковая заморозка в спиральном скороморозильном аппарате сохраняет вкусовые качества, останавливает активность микрофлоры и предотвращает образование крупных кристаллов льда.

Спиральные скороморозильные аппараты по сравнению с туннельными аппаратами той же производительности более компактны ,при этом происходит экономия площади производства около 60%.

Плавное регулирование скорости движения ленты позволяет легко настраивать время замораживания для необходимых продуктов.

Достоинства: гибкость в работе, компактность, высокий уровень автоматизации.

Недостатки: сложность конструкции и технического обслуживания оборудования,

Флюидизационные морозильные аппараты

Применяют для замораживания продуктов подлежащих отдельному замораживанию друг от друга, которые могут смерзнуться вместе при замораживании. Это ягоды или кусочки овощей , фруктов, мелкие креветки).

Важным условием является непрерывное движение каждой единицы продукта во взвешенном состоянии. Воздух нагнетается вентиляторами в испарители, потом поступает через лотки, вверх проходя через слой продукта и приподнимая, удерживая его во взвешенном састоянии..

Продукт в флюидизационном аппарате перемещается в потоке воздуха в лотке с перфорированным дном и/или на сетчатой ленте конвейера. Перемещение продукта в лотке осуществляется за счет наклона и/или вибрации лотка.

Продолжительность замораживания продукта зависит от размеров и характеристик продукта , определяется скоростью подачи продукта и высотой слоя, который имеет ограничения.

В некоторых типах флюидизационных аппаратах происходит только подмораживание в воздушном слое, а дальнейшее его замораживание на ленте или конвейере путем обычного воздушного замораживания.

Достоинства

• получаем замороженный продукт высокого качества,
• компактность установки
• большая степень автоматизации

Недостатки

• замораживания только мелкоштучных продуктов
• значительная потеря массы продукта вследствие испарения
• высокие расходы на электроэнергию необходимую для работы вентиляторов.

Не воздушные охлаждающие средства

Плиточные морозильные аппараты

Плиточный морозильный аппараты состоит параллельных металлических плит, охлаждаемых хладагентом, между которыми находится продукт.

Мясная или рыбная продукция может быть заморожена в блок только в том случае, если морозильные плиты в ходе технологического процесса будут очень плотно к ней прилегать, поскольку это обеспечит использование максимально возможной площади теплообмена. Для того чтобы этого достичь, в горизонтальных и вертикальных скороморозильных аппаратах используется система гидравлики, с помощью которой продукция слегка подпресовывается и прижимается к морозильным плитам.

Плиточные аппараты бывают горизонтальные и вертикальные.

В горизонтальном плиточном аппарате продукт, продукт в коробках формах одинаковой толщины, загружают в пространство между приподнятыми плитами. После загрузки всего аппарата плиты опускаются, незначительно деформируя продукт, и начинается режим замораживания.

Недостатки: низкий уровень механизации погрузочно-разгрузочных работ.

В вертикальном плиточном аппарате замораживают неупакованные легко деформируемые продукты (рыба, мясо, пюре-образные массы). Продукт закладывают, засыпают или заливают сверху в полости между плитами, установленными на расстоянии, равном толщине блока. Блоки между плитами формируются непосредственно в момент загрузки продукта под действием силы тяжести. Для удаления блоков после замораживания плиты нагревают, раздвигают, и блоки продукта выталкиваются на разгрузочный конвейер.

Достоинства:

• высокая скорость замораживания;
• продукты имеют постоянные форму и размер, легкость упаковывания и складирования в штабели
• энергопотребление меньше, чем в воздушных холодильных аппаратах (отсутствием вентиляторов и более высокой температурой кипения).

Недостатки:

• большие капитальные затраты,
• жесткие требования к форме и размеру продуктов.

Погружные морозильные аппараты (иммерсионные)

В этом аппарате хладагент непосредственно контактирует с пищевым продуктом и, создавая наилучшие условия для теплообмена между поверхностью продукта и хладагентом.

Достоинства

• Высокая скорость замораживания по сравнению с плиточными и воздушными скороморозильными аппаратами
• Низкий уровень потерь в процессе замораживания и оттаивания.

Иммерсионные аппараты предназначены для замораживания продуктов, погруженных в жидкость. В качестве хладагента используют однокомпонентные водные растворы (обычно хлористого натрия) и двухкомпонентные, содержащие хлористый натрий и хлористый кальций.

Хладоноситель охлаждается в испарителе, Испаритель может находиться в корпусе аппарата или отдельно

Заморозка или охлаждение продукта может происходить орошением продуктов. При этом продукт герметично упаковывают, исключая контакта с хладоносителем.

Достоинства

• Можно замораживать штучный продукт любой формы и большей толщины (крупнокусковое мясо, птицу, рыбу).

Недостатки

• вероятность проникновения хладагента в продукт

Фризеры (барабанные морозильные аппараты).

Существует специальное холодильное оборудование, предназначенное для замораживания жидких и пастообразных продуктов. Слой продукта замораживается на внешней или внутренней цилиндрической поверхности теплообменника-испарителя и непрерывно срезается ножами.

Для замораживания полуфабрикатов с влажной поверхностью, паштетов или пастообразных продуктов используют барабанные морозильные аппараты, замораживание происходит на внешней стороне охлаждаемого барабана. За один оборот барабана продукт замораживается и срезается ножом в верхней точке, после этого попадая на разгрузочный конвейер.

Криогенные морозильные аппараты

Криогенное замораживание может осуществляться погружным способом или разбрызгиванием на продукт в морозильных аппаратах камерного или туннельного типа.

Криогенное холодильное оборудование предназначено для замораживания продуктов при непосредственном контакте с веществами, которые изменяют свое фазовое состояние (кипят, сублимируют) при криогенной температуре.

Для криогенного замораживания применяют также спирально-ленточные холодильные установки. Процесс регулируется с помощью изменения объема подачи жидкого хладагента и скорости движения конвейера.

Распространенные криогенные вещества — это жидкие азот N2 и диоксид углерода CO2, безопасны при непосредственном контакте с пищевыми продуктами и инертны к конструкциям и металлам.

Раньше для замораживания использовались хладагенты (например, R12, R22), очищенные от нежелательных примесей. Благодаря низкой температуре кипения криогенных веществ при атмосферном давлении минус 196°С для жидкого N2 и минус 79 °С для жидкого CO2, достигается большая разность температур и вследствие этого высокая интенсивность теплопередачи от поверхности продукта.

В криогенных морозильных аппаратах замораживают продукты небольшой толщины, чтобы термическое сопротивление продукта меньше влияло на интенсивность его замораживания. В современных аппаратах продукт замораживают в два этапа: первый этап посредством газообразного азота, второй этап с помощью жидкого это позволяет значительно уменьшить расход азота необходимого на охлаждения продукта.

Аппараты применяют для замораживания многих видов продукта (мясо, птица, рыба, овощи, готовые блюда). При подаче жидкого CO2 в охлаждаемый объем образуются пар и твердая фаза в виде снега, которая осаждается и накапливается на поверхности продукта и внутренней поверхности конструкции.

Плотный слой снегообразного CO2 на поверхности продукта нежелателен, так как на границе контакта образуется газообразная прослойка, уменьшающая интенсивность теплопередачи. Поэтому в таких аппаратах продукт обычно замораживают при температурах выше минус 78 °С.

Для получения равномерного температурного поля продукт и криогенное вещество движутся в противоток, а температура выпускаемого в атмосферу газа поддерживается относительно высокой (от минус 50 до 0 °С).

Обычно жидкие N2 и CO2 транспортируют и хранят в сосудах при избыточном давлении. Чтобы сократить потерю хладагента при хранении, надо уменьшить теплоприток путем теплоизоляции и (или) охлаждения сосуда с криогенным веществом, с помощью холодильной установки.

При хранении жидкого азота суточные потери могут составлять до 1% от общего объема. Поскольку жидкий CO2 можно хранить при более высокой температуре, чем азот, то с помощью холодильной установки можно полностью исключить потерю CO2.

Достоинства:

• высокая скорость замораживания;
• небольшие потери массы
• высокое качество замороженного продукта;
• простоту конструкции и эксплуатации; компактность;
• низкие капитальные затраты и энергопотребление;
• возможность быстрого монтажа и ввода в эксплуатацию.

Недостаток — затраты криогенные вещества.

Для сокращения потерь криогенного вещества применяют комбинированное замораживание продукта — сначала криогенным веществом, затем замораживанием воздухом.

Криогенным веществом за минимальное время замораживается поверхностный слой продукта, что обеспечивает минимальную потерю влаги и обеспечивает жесткость структуры продукта. Процесс замораживания завершается в аппарате с интенсивным движением воздуха.

Комбинированный процесс замораживания обеспечивает на первом этапе высокое качество продукта при небольшом расходе криогенного вещества, на втором небольшие эксплуатационные затраты.