Chłodnictwo - ebook

Słowo wstępne

Niniejsza książka jest bezpośrednim nawiązaniem do publikacji Odroczony rozrost. Technologia w piekarni (WN PWN, Warszawa 2014) przygotowanej pod redakcją naukową dr. Hansa Hubera. Opisane w niej reformy piekarstwa w zakresie stosowania technologii chłodzenia przy produkcji pieczywa uległy od tego czasu dalszym zmianom i ulepszeniom. Zagadnienie głębokiego mrożenia ciast, pieczywa wypieczonego i innych środków spożywczych spotkało się z pozytywnym przyjęciem ze strony profesjonalistów z branży. Ponadto zaczęto brać pod uwagę już nie tylko aspekty techniczne czy technologiczne, lecz także ekonomiczne, prawne, logistyczne i wiele innych. Dlatego też zadaniem tej książki jest przedstawienie obecnego stanu rozwoju technologii chłodniczych w piekarstwie. Naszym celem jest również przybliżenie Czytelnikom – na tle dotychczasowych badań w tej dziedzinie – fizyczno-przyrodniczych podstaw chłodzenia i mrożenia produktów spożywczych oraz głębokiego mrożenia ciast i pieczywa wypieczonego. Nowe wyniki badań pomogą wyjaśnić i zrozumieć uprzednio nie do końca doprecyzowane tezy, ze szczególnym uwzględnieniem zastosowania w zakładach piekarniczych technik chłodzenia konwencjonalnej i kriogenicznej, zarówno w ujęciu teoretycznym, jak i praktycznym.

Przedstawimy także nowości w zakresie chłodzenia, prowadzenia gary i głębokiego mrożenia ciast oraz pieczywa odpieczonego. Pokażemy nowe rozwiązania technologiczno-produkcyjno-techniczne i nowe możliwości produkcyjne płynące z zastosowania specjalnych polepszaczy przy pracy z głębokim mrożeniem.

Chęć zastosowania technologii chłodzenia w zakładzie piekarniczym wiąże się z przeorganizowaniem procesu produkcji, poczynając od miesienia ciast a kończąc na sposobach dostarczania zamrożonych produktów do sklepów. Jednak wiele możliwości, które zapewnia ta technologia, jest w dalszym ciągu niewykorzystanych, co z kolei może stanowić potencjał rozwoju zakładu zarówno pod względem technologiczno-jakościowym, jak i pod względem ekonomicznym (niższe koszty energii/ produkcji). Dlatego też znajomość technologii chłodzenia może stanowić solidną podstawę rozwoju danego zakładu i być kluczem do jego sukcesu na rynku piekarniczym.

Autorami książki są uznani mistrzowie piekarstwa, technolodzy, naukowcy, inżynierowie, ekonomiści i prawnicy, których wiedza i doświadczenie przyczyniły się do powstania kompendium na temat technologii chłodniczych.

Ponadto należą się wyrazy uznania współautorom, którzy służyli radą podczas redagowania książki i wyrażali konstruktywną krytykę na podstawie własnego doświadczenia.

Należy także wspomnieć i podziękować samemu wydawnictwu za udaną współpracę podczas prac redakcyjnych.

dr Klaus Lösche

Bremerhaven, listopad 2002 r.10 Nowatorski proces mrożenia pieczywa z użyciem próżni i entalpii

R. Dollinger

10.1. Wykorzystanie próżni – rys historyczny

Historia chłodzenia próżniowego i jego zastosowania w praktyce sięga starożytnego Egiptu. Egipcjanie stawiali w nocy terakotowe garnki z wodą na dachach. Część wody, która przedostawała się przez ścianki garnka na zewnątrz, odparowywała pod wpływem zimnego wiatru wiejącego nocą, dzięki czemu pozostała w garnku woda była schładzana.

Mówiąc o historii wykorzystania zjawiska próżni w nauce, należy wspomnieć o słynnym eksperymencie półkul magdeburskich, przeprowadzonym w 1654 r. przez Ottona von Guericke (1602–86). Doświadczenie polegało na tym, że dwie miedziane półkule o średnicy 30 cm każda, o starannie zeszlifowanych krawędziach Von Guericke docisnął jedna do drugiej i uszczelnił. Następnie wypompował ze środka tak powstałej kuli powietrze. Okazało się, że sam nie jest w stanie oddzielić półkul – potrzeba była do tego siła aż ośmiu par koni.

Po wielu latach okazuje się, że próżnia, a w szczególności chłodzenie próżniowe ma zastosowanie w wielu różnych dziedzinach. Jedną z nich jest produkcja pieczywa.

10.2. Próżnia

Próżnia jako zjawisko fizyczne dzieli się na różne podgrupy. Biorąc pod uwagę jakość próżni, wyróżnia się:

próżnię niską

10²–10⁵ Pa (1–10³ mbar)

próżnię średnią

10^(–1)–10¹ Pa (10^(–3)–1 mbar)

próżnię wysoką

10^(–5)–10^(–1) Pa (10^(–7)–10^(–3) mbar)

próżnię bardzo wysoką

< 10^(–5) Pa (< 10^(–7) mbar)

Nacisk powierzchniowy, który jest wywierany na ciało w próżni podczas pracy urządzenia, jest wielokrotnie niedoceniany, ponieważ maksymalna różnica ciśnienia w stosunku do ciśnienia atmosferycznego wynosi jedynie 1 bar (rys. 10.1), co na pierwszy rzut oka może wydawać się niedużo. Należy przypomnieć, że przez ciśnienie (Pa) rozumie się określoną siłę (N), która oddziałuje na określoną powierzchnię (m²). Dla ciała w próżni oznacza to, że ciśnienie atmosferyczne z zewnątrz wywiera nacisk na powierzchnię w wysokości 100 000 N/m² (ok. 10 ton/m²). Taki nacisk odpowiada naciskowi pięciu samochodów osobowych średniej klasy na 1 m² powierzchni.

Rys. 10.1. Schemat graficzny siły nacisku na ciało w próżni

10.3. Entalpia a prężność pary wodnej

Pod pojęciem entalpii rozumie się energię wewnętrzną danej substancji. Metoda chłodzenia z wykorzystaniem próżni i entalpii zakłada, że pieczywo jest schładzane dzięki zjawisku entalpii parowania wody w próżni. W zależności od stanu skupienia zmienia się każdorazowo także entalpia wody:

entalpia tworzenia 15 882,8 kJ/kg

entalpia topnienia 333,9 kJ/kg

entalpia parowania 2258,4 kJ/kg

ciepło właściwe 4,1855 J/g K

Porównując ze sobą różne parametry entalpii wody można zauważyć, że ciepło parowania jest o wiele wyższe niż ciepło właściwe oraz ciepło topnienia. W praktyce można to zobrazować następująco.

Dzięki energii (rys. 10.2), potrzebnej do przemiany 1 litra wody o temperaturze 100°C w parę wodną, można podgrzać ok. 6,74 litra wody z 20°C do 100°C lub zamienić odpowiednią ilość lodu (0°C) w 6,76 litra wody o temperaturze 0°C.

Rys. 10.2. Entalpia – strumień ciepła w przypadku wody

Z tego zjawiska korzysta metoda chłodzenia wykorzystująca próżnię i entalpię. Polega ona na tym, że przez stworzenie odpowiednich warunków próżniowych obniża się temperaturę parowania wody (rys. 10.3). Oznacza to, że wraz ze wzrostem ciśnienia w próżni opada temperatura parowania, np. przy ciśnieniu bezwzględnym w wysokości 12,27 hPa (mbar) woda zaczyna parować w temperaturze 10°C i powstaje para wodna. Na skutek zmiany stanu skupienia wody – przejście do pary wodnej (entalpia parowania) – produktowi zawierającemu wodę (np. bułkom) jest odbierane dużo energii. Dzięki temu można uzyskać pożądaną do przechowywania pieczywa temperaturę chłodzenia.

Rys. 10.3. Krzywa ciśnienia pary nasyconej wody w próżni

10.4. Budowa i funkcje urządzenia chłodniczego wykorzystującego zjawiska entalpii i próżni

Takie urządzenia chłodnicze działają w trybie wsadowym i składają się z dwóch głównych części.

Komora próżniowa jest pomieszczeniem, do którego trafiają wózki z produktami przeznaczonymi do schłodzenia. Ze względu na niesłychanie wysoki nacisk, który jest wywierany na ściany zewnętrzne urządzenia podczas powstawania próżni, komora próżniowa i drzwi muszą być wykonane w bardzo staranny i trwały sposób.

Stacja pomp jest konstrukcją, w której znajdują się agregaty pompowe, kondensatory, system zaworów oraz system sterowania urządzeniem.

Zgodnie z założeniem działanie urządzenia chłodniczego wykorzystującego zjawiska entalpii i próżni polega na tym, że komora próżniowa jest napędzana przez stację pomp.

System pracy takiego urządzenia przebiega w trybie wsadowym, jak zostało przedstawione na rys. 10.4.

Wózek z pieczywem z półzapieku (np. bułkami) trafia bezpośrednio z pieca wsadowego przez rampę najazdową do komory próżniowej (1); rys. 10.5.

+-----------------------------------+---------------------------------------------------+
| | 1. komora próżniowa |
| | |
| | 2. pompa próżniowa |
| | |
| | 3. wstępna pompa próżniowa |
| | |
| | 4. główny kondensator |
| | |
| | 5. pojemnik zbiorczy kondensatu |
| | |
| | 6. drugi kondensator |
| | |
| | 7. zawór nawadniający |
| | |
| | 8. zawór czyszczący |
| | |
| | 9. zawór zimnej wody |
| | |
| | 10. zawór odcinający pompę wstępną |
| | |
| | 11. zawór spustu kondensatu – drugi kondensator |
| | |
| | 12. zawór spustu kondensatu |
| | |
| | 13. zawór odcinający pojemnik zbiorczy kondensatu |
| | |
| | 14. zawór napowietrzający z filtrem |
+-----------------------------------+---------------------------------------------------+

Rys. 10.4. Schemat działania urządzenia chłodniczego wykorzystującego zjawisko próżni i entalpii autorstwa Fa. Werner & Pfleiderer Lebensmitteltechnik

Rys. 10.5. Zdjęcie komory próżniowej do pracy w trybie wsadowym

Po wprowadzeniu wózków do komory próżniowej i wybraniu odpowiedniego programu urządzenie zaczyna pracę. Zawór napowietrzający (14), zawór spustu kondensatu (12), zawór spustu kondensatu – drugi kondensator (11) oraz zawór nawadniający (7) są zamykane, a zawór odcinający pompę wstępną (10) i zawór zimnej wody (9) są otwierane. Pompa próżniowa (2) – rys. 10.6 oraz wstępna pompa próżniowa (3) – rys. 10.7 rozpoczynają pracę i sukcesywnie odprowadzają powietrze, tworząc próżnię w komorze próżniowej. Czujnik ciśnienia (p_(v)) jest odpowiedzialny za ustanowienie ciśnienia bezwzględnego w komorze próżniowej. Przebieg jego pracy z opcją sterowania można śledzić na panelu sterującym Touch Screen.

Czujniki temperatury (T1, T2) mierzą temperaturę zimnej wody przy wejściu i wyjściu z kondensatora (4). Sterowanie temperaturą odbywa się za pośrednictwem otwierania i zamykania zaworu zimnej wody (9), dzięki czemu jej zużycie jest minimalizowane.

Rys. 10.6. Zdjęcie pompy próżniowej w stacji pomp

Rys. 10.7. Zdjęcie wstępnej pompy próżniowej w stacji pomp

Praca kondensatora wspomaga działanie obydwu pomp próżniowych, przy czym powstała para wodna kondensuje się do postaci wody na wężownicy w kondensatorze. Nagła zmiana objętości powoduje działanie pomp kondensatora. Powstający kondensat jest gromadzony w pojemniku zbiorczym kondensatu (5). Efektywność działania zależy od możliwości ustawiania najniższej temperatury zimnej wody. Po osiągnięciu pożądanej temperatury w próżni, która jest o 5°C wyższa niż początkowa temperatura zimnej wody, dochodzi do zamknięcia zaworu odcinającego pojemnik zbiorczy kondensatu (13).

Pozostałości kondensatu są zbierane w drugim kondensatorze (6) i gromadzone w pojemniku zbiorczym drugiego kondensatora. Podczas wytwarzania próżni w komorze próżniowej program sterujący stale dokonuje pomiarów ciśnienia i porównuje je z wartością ciśnienia bezwzględnego.

W momencie gdy ciśnienie w komorze osiągnie pożądaną wartość, system sterowania (rys. 10.8) wyłącza pompę próżniową (2). Następnie dochodzi do zamknięcia zaworu odcinającego pompę wstępną (10) i do otwarcia zaworu napowietrzającego (14).

Rys. 10.8. Zdjęcie panelu sterującego urządzenia

Potem, w możliwie jak najkrótszym czasie, następuje wyrównanie ciśnienia w komorze próżniowej. Zawór spustu kondensatu – drugi kondensator (11), zawór odcinający pojemnik zbiorczy kondensatu (13) oraz zawór spustu kondensatu (12) są otwierane i kondensat jest odprowadzany. Wówczas można otworzyć drzwi komory próżniowej i wyciągnąć wózki z produktami. Urządzenie jest znowu gotowe do kolejnego procesu schładzania próżniowego.

10.5. Zastosowanie metody chłodzenia z użyciem próżni i entalpii w piekarnictwie

Możliwości zastosowania metody chłodzenia z użyciem próżni i entalpii w piekarnictwie są rozmaite. Zasadniczo wyróżnia się trzy podstawowe zakresy zastosowania (rys. 10.9), które są możliwe po zakończeniu procesu chłodzenia próżniowego. Należy jednak pamiętać, że występuje jeszcze wiele innych zastosowań tej metody zarówno w piekarnictwie, jak i w technologii żywności.

Rys. 10.9. Możliwości zastosowania metody chłodzenia z użyciem próżni i entalpii w piekarnictwie

10.5.1. Schładzanie pieczywa przed pakowaniem lub krojeniem

Jedną z możliwości zastosowania tej metody jest schładzanie pieczywa do temperatury jądra w wysokości +30°C. Po osiągnięciu takiej temperatury jest możliwe krojenie lub pakowanie schłodzonego pieczywa. Dzięki temu produkcja może odbywać się na krótko przed wysłaniem pieczywa do sklepów firmowych, czyli szybciej niż było to w przypadku stygnięcia w koszach lub na wózkach.

Z uwagi na brak konieczności odstania pieczywa aż do momentu ostygnięcia, jest możliwe efektywniejsze wykorzystanie przestrzeni produkcyjnej. Ponadto zastosowanie metody chłodzenia próżniowego wpływa pozytywnie na strukturę skórki i chrupkość pieczywa, np. chleba krojonego. Efekt ten jest osiągany dzięki ustabilizowaniu skórki, jednak bez zmiany jej grubości. Dlatego też produkt końcowy cechuje wyższa jakość (rys. 10.10).

Stabilizowanie skórki dzięki metodzie chłodzenia próżniowego przy ciastach, np. panettone, przekłada się na znaczny wzrost objętości produktu końcowego.

Rys. 10.10. Chleb żytni mieszany schłodzony po wypieku do temperatury odpowiedniej do jego pokrojenia

Stabilizowanie skórki jest efektem szybkiego a jednocześnie ostrożnego chłodzenia z wykorzystaniem próżni i entalpii. Szybsze twardnienie skórki zewnętrznej ciasta, np. panettone (rys. 10.11), powoduje większą objętość i porowatość produktu w porównaniu do klasycznego studzenia na wózkach czy w koszach. Wzrost objętości może sięgać nawet 20%.

Rys. 10.11. Wzrost objętości panettone dzięki zastosowaniu chłodzenia próżniowego (nawet o 20%)

10.5.2. Przechowywanie pieczywa z półzapieku w warunkach chłodniczych

Innym zastosowaniem chłodzenia z wykorzystaniem próżni i entalpii jest przechowywanie pieczywa z półzapieku w warunkach chłodniczych (od +2 do +4°C). Wybór czasu przechowywania w tym zakresie temperatur jest uzależniony od pewnych faktów.

Większość drobnoustrojów ginie po osiągnięciu temperatury jądra produktów w wysokości 94°C. W przypadku późniejszego zastosowania chłodzenia próżniowego dochodzi do szybkiego przejścia krytycznego zakresu temperatur, tj. od +65 do +4°C (rys. 10.12), dzięki czemu jest możliwe zatrzymanie wzrostu drobnoustrojów. Tak schłodzone pieczywo z półzapieku (np. bułki) może być przechowywane w temperaturze od ok. +2°C do +4°C nawet przez 21 dni.

Zastosowanie tej metody schładzania i przechowywania pieczywa daje piekarzowi możliwość wykorzystania nowych sposobów produkcji i dystrybucji produktów do sklepów firmowych przy jednoczesnym wzroście jakości i wydajności produkcji.

Poniżej przedstawiono przykładowy przebieg procesu produkcji bułek z wykorzystaniem schładzania próżniowego.

Rys. 10.12. Prędkość chłodzenia w urządzeniu chłodniczym wykorzystującym zjawisko próżni i entalpii

Bułki są wypiekane w piecu wsadowym w pierwszej kolejności, przy temperaturze ok. 230°C, przez 50% całkowitego czasu pieczenia. Temperatura jądra ze względu na drobnoustroje musi wynosić minimum 94°C. Następnie, możliwie jak najszybciej, bułki są schładzane w komorze próżniowej aż do osiągnięcia temperatury jądra w wysokości ok. +4°C (tj. po osiągnięciu ciśnienia 7 mbar w komorze).

Utrata masy na skutek odparowywania wody podczas chłodzenia próżniowego jest minimalizowana przez proces rehydratacji. Jednak dzięki chłodzeniu z wykorzystaniem próżni i entalpii dochodzi do stabilizacji skórki pieczywa.

Mimo krótszego czasu pieczenia oraz słabszego zbrązowienia skórki produkty z półzapieku (rys. 10.13) utrzymują swój kształt – w przeciwieństwie do innych stosowanych metod chłodzenia.

Rys. 10.13. Zdjęcie bułki wyprodukowanej z udziałem chłodzenia próżniowego o temperaturze jądra 4°C

Bułki z półzapieku po osiągnięciu odpowiedniej temperatury są przechowywane w chłodniach w temperaturze ok. +4°C. Czas przechowywania powinien wynosić przynajmniej 2 dni, żeby mogło dojść do wyrównania poziomu wilgotności w bułce, a maksymalny czas przechowywania – zazwyczaj 21 dni.

W przypadku konieczności ręcznego przekładania schłodzonych bułek z półzapieku należy zwrócić szczególną uwagę na to, żeby nie zanieczyścić bułek żadnymi drobnoustrojami, tzn. dopuszcza się kontakt z pieczywem jedynie w sterylnych rękawicach, a samo urządzenie chłodnicze jest wyposażone w sterylny filtr na ponownym dopuszczaniu powietrza do komory próżniowej.

Po zakończeniu przechowywania bułki mogą być od razu wypiekane. W przypadku transportu schłodzonego pieczywa do sklepów można zastosować logistykę MOPRO. Alternatywnie dopuszcza się transport w izolowanych pojemnikach w temperaturze ok. +4°C.

Następnie pieczywo jest dopiekane na miejscu, w sklepie, w temperaturze 240°C.

Wypieczone w ten sposób pieczywo cechują chrupiąca skórka oraz intensywny aromat. Nie jest to efekt grubszej skórki, lecz pozostałej w pieczywie w okolicach skórki wilgoci.

10.5.3. Przechowywanie produktów spożywczych w głębokim mrożeniu

Dzięki zastosowaniu chłodzenia z wykorzystaniem próżni i entalpii możliwe jest osiągnięcie w krótkim czasie temperatur poniżej –18°C. Dlatego też ma ono wiele zastosowań w technologii żywności.

10.5.4. Inne zastosowania w piekarnictwie

Innym zastosowaniem metody chłodzenia z wykorzystaniem próżni i entalpii jest wstępne schładzanie produktów przeznaczonych do głębokiego mrożenia do temperatury ok. +2°C. W tym przypadku technologia ta służy ekonomizacji procesu schładzania (oszczędność energii) i zwiększeniu wydajności procesu produkcji towarów głęboko mrożonych.

W przerwach w produkcji chłodzenie próżniowe może być wykorzystywane przy produkcji łamanego lodu, sterylizowaniu kast lub koszyków rozrostowych czy też suszeniu pieczywa.

10.6. Rehydratacja a strata masy

Podczas chłodzenia próżniowego z produktów woda jest odprowadzana i odparowywana. W technologii chłodnictwa próżniowego pod pojęciem rehydratacji rozumie się ponowne dostarczenie wody do schłodzonych produktów.

Średnia utrata masy bez wykorzystania procesu rehydratacji jest zróżnicowana i zależy od wielkości, receptury, rodzaju produktu oraz docelowej temperatury schłodzenia. Zazwyczaj wynosi ona 4–8% masy produktu.

Dzięki zastosowaniu procesu rehydratacji tę utratę masy można zmniejszyć nawet o 30%, np. przez rozpylanie mgły wodnej podczas schładzania i podczas ponownego wtłaczania powietrza do komory próżniowej. Ze względu na zjawisko kapilarne na powierzchni skórki (analogiczne do gąbki) utracona woda powraca do produktów.

Dodatkowo stratę wody można pomniejszyć poprzez dodanie do receptury lipidów i lecytyny. Stratę wody można też wyrównać podczas wypieku przez wielokrotne zaparowywanie.

10.7. Zakres zastosowania technologii

Urządzenie do chłodzenia z udziałem entalpii i próżni potrzebuje do działania jedynie wody i prądu. Dlatego też nie ma tu mowy o stosowaniu kosztochłonnych czynników chłodniczych dodatkowo zanieczyszczających środowisko.

Sama obsługa urządzenia jest prosta i przejrzysta dzięki zastosowanemu panelowi sterującemu. Ponadto jest możliwe zastosowanie tej oszczędnej i chroniącej środowisko technologii także w innych branżach niż piekarnictwo, np. w chłodzeniu dań gotowych, napojów, ciast, makaronów, liofilizacji produktów, oraz w medycynie. Chłodzenie próżniowe można byłoby bowiem stosować przy sterylizacji urządzeń medycznych. Z pewnością ma ono przed sobą przyszłość.