Pendinginan Vakum "Dari lapangan ke meja" 11 April 2022
11 MIN READ
Artikel ini pertama kali muncul di 2019 Physics World Focus on Instruments & Vacuum dengan judul "From field to table" https://physicsworld.com/a/vacuum-keeps-food-fresh-and-cool-from-field-to-table/
"Pendinginan vakum adalah metode yang cepat dan hemat energi untuk mendinginkan makanan dan memperpanjang masa simpannya. Sekarang kesuksesannya di industri makanan mendorong minat yang lebih luas"
- Pierre Lantheaume
Jam mulai berdetak segera setelah selada diambil dari ladang atau roti dikeluarkan dari oven, dan tanpa intervensi untuk memperlambat atau menghentikan jam itu, banyak produk makanan akan menjadi tidak menyenangkan atau tidak aman untuk dimakan dalam hitungan hari. Bagi konsumen yang tinggal tepat di sebelah peternakan atau toko roti, ini mungkin dapat diterima, tetapi bagi kita yang tinggal puluhan atau bahkan ratusan kilometer jauhnya dari tempat makanan kita tumbuh atau diproses, ini tidak praktis.
Dalam perjuangan untuk menghindari limbah dan menjaga produk makanan tetap segar, pendinginan adalah senjata penting. Menurunkan suhu makanan meningkatkan masa simpan, mempertahankan kesegaran memperlambat pertumbuhan bakteri yang dapat menyebabkan makanan rusak. Oleh karena itu, makanan sering didinginkan secepat mungkin setelah diproduksi atau dipanen, dan seluruh industri telah tumbuh untuk memenuhi kebutuhan ini.
Metode pendinginan tradisional menggunakan udara atau air untuk menghilangkan panas dari makanan melalui kombinasi konduksi dan konveksi. Metode ini sudah ada selama beberapa dekade, tetapi memiliki beberapa kelemahan. Diperlukan waktu berjam-jam untuk mendinginkan palet sayuran menggunakan sirkulasi udara paksa atau jet air.
Selama waktu itu, bakteri terus berkembang biak, dan cairan pendingin (udara atau air) sendiri dapat terkontaminasi dengan mikroorganisme berbahaya kecuali jika tindakan pencegahan yang ketat diambil. Pendinginan konvensional juga menghasilkan distribusi suhu yang tidak merata, dengan produk makanan di tepi wadah didinginkan lebih cepat daripada di tengah. Tentu saja, proses ini sangat intensif energi.
Alternatifnya adalah mendinginkan makanan dengan menempatkannya di ruang vakum. Pendinginan vakum didasarkan pada prinsip evaporasi: saat air menguap dari produk, energi dihilangkan dan suhu turun. Proses evaporasi dimulai segera setelah tekanan turun cukup rendah agar air mendidih, dan suhu akhir yang diinginkan dapat diatur dengan mengontrol tekanan di ruang vakum.
Dibandingkan dengan pendinginan konvensional, pendinginan vakum cepat. Dengan peralatan yang tepat, palet sayuran yang memerlukan waktu beberapa jam untuk didinginkan melalui sirkulasi udara paksa dapat didinginkan dalam beberapa menit. Pendinginan vakum juga efisien, memerlukan seperempat energi pendinginan udara paksa.
Keuntungan akhir dari pendinginan vakum adalah keselamatan. Karena aliran udara sepenuhnya dalam satu arah, dari dalam ke luar, tidak ada kemungkinan udara yang berpotensi terkontaminasi masuk dan bersirkulasi di sekitar makanan. Kecepatan pendinginan vakum juga meningkatkan keselamatan, karena penurunan suhu yang cepat mengurangi kemungkinan bakteri berkembang biak.
Keuntungan lainnya adalah karena penguapan terjadi pada semua permukaan secara bersamaan, distribusi spasial pendinginan homogen (khususnya untuk produk dengan rasio area permukaan terhadap volume yang tinggi). Hal ini memberikan masa simpan makanan yang didinginkan dengan vakum yang jauh lebih lama.
Tidak semua makanan cocok untuk pendinginan vakum. Karena proses ini didasarkan pada penguapan, produk harus mengandung air yang cukup untuk pendinginan yang efektif. Selain itu, sayuran berdaun seperti selada, yang memiliki permukaan yang besar, dapat didinginkan lebih efisien daripada sayuran padat seperti tomat. Namun, kedua persyaratan ini tidak sebatas yang Anda harapkan. Banyak makanan yang terasa relatif kering di mulut, seperti roti, namun masih mengandung cukup air untuk didinginkan dengan vakum. Dan karena pendinginan vakum biasanya hanya menghilangkan beberapa persen kandungan air produk, hilangnya massa lebih sedikit daripada yang Anda dapatkan dengan pendinginan udara paksa - meminimalkan hilangnya pendapatan dari makanan yang dijual berdasarkan berat.
Tantangan salad
Bagi pakar vakum, tugas merancang sistem untuk memenuhi kebutuhan pelanggan di industri makanan (berbeda dari, misalnya, penelitian ilmiah) menimbulkan beberapa tantangan menarik. Namun prinsip dasarnya sama. Secara khusus, perhitungan seberapa besar sistem pendingin vakum harus didasarkan pada hukum konservasi energi: jumlah panas yang dilepaskan dalam mendinginkan makanan harus sama dengan jumlah panas yang diambil dengan menguap air, Q dilepas = Q diambil.
Sisi kiri persamaan ini dihitung dengan mengalikan massa makanan dengan panas spesifiknya dan perubahan suhu sebelum dan sesudah pendinginan, Q dilepaskan = m makanan cp ΔT. Misalnya, jika kita ingin mendinginkan 1000 kg salad - bahan dengan panas spesifik 3,9 kJ/(kg K), sedikit kurang dari air - dari 25 °C ke 5 °C, kita perlu membuang 78.000 kJ panas. Jadi, berapa banyak air yang perlu kita uap? Nah, Q yang diambil = m air × Δh uap, di mana Δ hvap, panas evaporasi air, adalah 2466 kJ/kg pada suhu 15 °C, sehingga jawabannya adalah 31,6 kg - beberapa persen dari massa awal salad.
Pertanyaan berikutnya berkaitan dengan aliran yang perlu ditangani sistem vakum. Jika kita ingin total waktu pendinginan untuk salad menjadi 30 menit, memungkinkan 5 menit untuk pemompaan di antara siklus pendinginan, maka kita membutuhkan sistem yang dapat memompa m uap = 76 kg uap per jam. Untuk menerjemahkannya ke aliran volume efektif v eff, kami menggunakan persamaan v eff = m uap × Vm /M × T eff /TN × PN /P eff, di mana Vm adalah volume mol air (22,4 N m³/kmol); M adalah massa molnya (18 kg/kmol); T eff dan P eff adalah suhu dan tekanan efektif; dan TN = 273 K dan PN = 1013 mbar adalah suhu dan tekanan norma. Pada T eff = 25 °C (298 K), tekanan uap air adalah 31,7 mbar, sehingga sistem vakum kami pada awalnya perlu memompa 3299 m3/jam. Pada suhu akhir 5 °C, tekanan uap air turun menjadi 8,72 mbar, artinya sistem harus memompa 11.188 m3/jam.
Bulu yang tepat Uji yang dilakukan oleh perusahaan pendinginan dan pemanggangan vakum Cetravac menunjukkan bahwa roti yang didinginkan dengan vakum mempertahankan volume dan strukturnya lebih baik daripada roti yang didinginkan dengan metode tradisional.
Secara teori, pompa vakum harus mampu menghilangkan aliran ini. Namun, dalam praktiknya, Anda memerlukan sistem yang sangat besar (dan mahal) untuk melakukannya. Pilihan yang lebih ekonomis sering kali adalah menggunakan kondensor untuk menangkap aliran uap dan mengubahnya menjadi cairan, yang secara dramatis mengurangi aliran gas ke pompa vakum. Sebagai aturan praktis, Anda memerlukan sekitar satu meter persegi permukaan kondensasi untuk setiap 10 kg/jam aliran uap, jadi untuk mendinginkan 1000 kg salad kita, kita memerlukan kondensor sekitar 8-10 m2.
Pertimbangan yang tersisa adalah, pertama, bahwa sistem vakum harus dapat mengevakuasi ruang dari tekanan atmosfer ke tekanan akhir pada waktu yang diinginkan (25 menit dalam contoh salad). Ini dapat ditentukan dengan perhitungan kecepatan pemompaan sederhana, s = V/t ln (p0/p1), di mana V adalah volume ruang, dan p0 dan p1 adalah tekanan awal dan yang diinginkan. Kedua, sistem vakum harus mampu menangani aliran gas yang tersisa setelah kondensor. Dengan asumsi kebocoran umum pada ruang vakum - sekitar 5 kg udara per jam untuk ruang 10 m3 dengan segel standar - kami menghitung aliran yang dihasilkan oleh uap non-kondensasi dan kebocoran yang tertinggal di belakang kondensor untuk suhu awal dan akhir. Mana yang lebih tinggi dari kedua perhitungan di atas akan menentukan ukuran sistem vakum. Dalam contoh salad, hasilnya adalah 570 m3/jam untuk kecepatan pemompaan dan 1500 m3/jam untuk aliran karena kebocoran dan uap yang tidak terkondensasi - jauh lebih sedikit daripada yang diperlukan tanpa kondensor.
Pekerjaan lapangan
Sistem pendingin vakum untuk sayuran berdaun, salad, dan bunga semuanya memiliki desain yang sama. Sistem ini dipasang di trailer yang ditempatkan di sebelah ladang tempat salad dipanen, atau diintegrasikan ke fasilitas tempat salad dibersihkan dan dikemas sebelum dikirim. Ruang stasioner terbesar dapat memuat hingga 20 palet secara bersamaan dan mampu memproses lebih dari 300 ton sayuran setiap hari.
Pendinginan vakum adalah metode pendinginan yang cepat dan hemat energi dengan berbagai aplikasi dalam pengolahan makanan dan aplikasi industri lainnya
Sebelum dimuat ke dalam ruang vakum, sayuran seperti selada sering disemprotkan dengan air untuk mengimbangi hilangnya berat akibat penguapan. Segera setelah pintu ditutup, sistem vakum mulai memompa dan tekanan turun dari 1000 mbar menjadi 15-20 mbar dalam waktu 5 menit. Pada tekanan tersebut, dan pada suhu sekitar 20 °C, air mulai menguap, dan proses pendinginan dimulai. Setelah 15-20 menit, tekanan turun lebih lanjut, hingga 5-6 mbar, dan produk mencapai suhu sekitar 2 °C. Selama proses ini, kondensor yang mengandung campuran glikol dan air pada suhu -6 hingga -10 °C menjebak sebagian besar uap air, melindungi pompa. Kemudian sistem pemompaan dan pendinginan berhenti, dan ruang diventilasi kembali ke tekanan atmosfer dalam beberapa menit. Setelah itu, salad disimpan di ruangan yang dingin di mana mereka dapat disimpan selama 2-3 minggu tanpa rusak.
Selama kondensor bekerja dengan baik, persyaratan yang ditetapkan oleh siklus ini pada pompa vakum mudah, karena suhu awalnya cukup rendah (sayuran yang baru dipetik jarang lebih hangat dari 30 °C) dan jumlah air yang akan diuap terbatas. Namun, keberadaan partikel kotoran atau komponen pabrik kecil dapat menjadi tantangan, dan ada beberapa kompromi dalam merancang sistem yang hemat biaya dan rendah pemeliharaan. Misalnya, pompa rotary vane bersegel oli andal dan hemat biaya, dengan kompatibilitas uap air yang baik dan desain yang ringkas dan sepenuhnya berpendingin udara yang membuatnya mudah digunakan dalam sistem seluler. Namun, filter saluran masuk diperlukan untuk melindunginya dari partikel, dan pemeliharaannya memerlukan penggantian oli, filter oli, dan demister pembuangan secara berkala.
Pompa vakum screw memiliki toleransi yang lebih tinggi terhadap partikel, dan ukurannya yang kecil, tingkat kebisingan yang rendah, dan konsumsi energi yang rendah membuatnya sangat cocok untuk fasilitas pengolahan makanan industri. Di sisi lain, sebagian besar versi memerlukan pendinginan air atau udara, dan biaya awalnya lebih tinggi daripada pompa rotary vane. Kedua jenis pompa dapat digunakan bersama dengan pompa vakum roots, yang meningkatkan kecepatan pemompaan sistem pada tekanan di bawah 50 mbar.
Selain sayuran
Keberhasilan pendinginan vakum dalam menjaga sayuran tetap segar berarti teknik serupa kini diterapkan pada produk makanan lainnya. Roti dan pastri adalah salah satu contohnya. Dalam aplikasi ini, suhu awal jauh lebih tinggi - hingga 90 °C ketika roti dikeluarkan dari oven - dan oleh karena itu, jumlah air yang ada dalam siklus secara dramatis lebih besar daripada untuk sayuran.
Pompa rotary vane tidak memiliki toleransi uap air yang cukup tinggi untuk melakukan pekerjaan tersebut, sehingga pompa screw adalah solusi yang lebih baik. Mereka dapat menelan air dalam jumlah besar tanpa patah dan juga sangat toleran terhadap partikel kecil (tepung, poppy atau biji wijen, dll.). Selain menghemat energi dan mendinginkan roti dengan lebih cepat, pendinginan vakum juga memberikan keuntungan bagi konsumen: roti yang didinginkan dengan vakum memiliki kerak renyah dan remah-renyah, sehingga lebih menyenangkan saat dimakan.
Kami juga mulai melihat beberapa aplikasi pendinginan vakum non-makanan. Misalnya, rumput di lapangan di stadion sepak bola profesional tertinggi tidak tumbuh di sana. Sebaliknya, diproduksi di peternakan khusus, dipanen dalam gulungan dan diangkut ke stadion tepat waktu untuk pertandingan. Berkat pendinginan vakum, gulungan rumput ini dengan mudah bertahan dalam proses transportasi, menggantung hingga penyiraman berikutnya. Persyaratan pendinginan rumput mirip dengan pendinginan sayuran, kecuali bahwa jumlah air yang harus diekstraksi untuk mencapai suhu yang diinginkan secara signifikan lebih tinggi, karena massa produk (termasuk tanah dan lumpur). Oleh karena itu, ini adalah pekerjaan yang lebih menuntut bagi pompa vakum. Kombinasi pompa rotary vane dan blower roots masih berfungsi dengan baik, tetapi pompa memerlukan lebih banyak pemeliharaan daripada biasanya untuk pendingin sayuran.
Gambaran umum
Pendinginan vakum adalah metode pendinginan yang cepat dan hemat energi dengan berbagai aplikasi dalam pengolahan makanan (dan, semakin banyak, di luarnya). Produk ini meningkatkan keamanan makanan dan memperpanjang masa simpan produk makanan. Tantangan yang ditimbulkannya terhadap sistem vakum adalah tantangan baru dan sangat bergantung pada produk yang didinginkan: sementara pompa rotary vane bersegel oli telah terbukti efektif dalam mendinginkan sayuran, aplikasi lain memerlukan pemikiran inovatif. Teknologi pemompaan kering menciptakan peluang untuk proses baru dan lebih canggih, termasuk pendinginan beras sushi atau makanan yang disiapkan untuk katering.
Artikel ini pertama kali muncul di 2019 Physics World Focus on Instruments & Vacuum dengan judul "From field to table" https://physicsworld.com/a/vacuum-keeps-food-fresh-and-cool-from-field-to-table/
