Penyejukan Vakum "Dari ladang ke meja" 11 April 2022

Bagi pakar vakum, tugas mereka untuk merancang sistem yang memenuhi keperluan pelanggan dalam industri makanan (berbanding, katakanlah, penyelidikan saintifik) menghadapi beberapa cabaran yang menarik. Tetapi prinsip asasnya adalah sama. Secara khusus, pengiraan untuk seberapa besar sistem penyejukan vakum perlu adalah berdasarkan undang-undang pemeliharaan tenaga: jumlah haba yang dilepaskan dalam menyejukkan makanan mesti sama dengan jumlah haba yang diserap oleh penyejatan air, Q_released = Q_taken.

Sebelah kiri persamaan ini dikira dengan mengalikan jisim makanan dengan haba spesifiknya dan perubahan suhu sebelum dan selepas penyejukan, Q_dilepaskan = m_makanan  c_p ΔT. Sebagai contoh, jika kita ingin menyejukkan 1000 kg salad – bahan dengan haba spesifik 3,9 kJ/(kg K), sedikit kurang daripada air – dari 25 °C ke 5 °C, kita perlu menghilangkan 78,000 kJ haba. Jadi berapa banyak air yang perlu kita menguap? Baiklah, Q_diambil = m_air × Δh_vap, di mana Δ_hvap, haba penyejatan air, adalah 2466 kJ/kg pada 15 °C, jadi jawapannya adalah 31,6 kg – beberapa peratus daripada jisim awal salad.

Soalan seterusnya berkaitan dengan aliran yang perlu ditangani oleh sistem vakum. Jika kita mahu masa penyejukan keseluruhan untuk salad adalah 30 minit, membenarkan 5 minit untuk mengepam keluar antara kitaran penyejukan, maka kita memerlukan sistem yang dapat mengepam keluar m_steam = 76 kg wap sejam. Untuk menterjemahkan itu ke dalam aliran isipadu yang berkesan v_eff, kita menggunakan persamaan v_eff = m_steam × V_m/M × T_eff/T_N ×  P_N/P_eff, di mana V_m adalah isipadu molar air (22,4 N m³/kmol); M adalah jisim molarnya (18 kg/kmol); T_eff dan P_eff adalah suhu dan tekanan berkesan; dan T_N = 273 K dan P_N = 1013 mbar adalah suhu dan tekanan norma. Pada T_eff = 25 °C (298 K), tekanan wap air adalah 31,7 mbar, jadi sistem vakum kami pada awalnya perlu mengepam 3299 m3/j. Pada suhu akhir 5 °C, tekanan wap air jatuh kepada 8,72 mbar, yang bermaksud sistem perlu mengepam 11,188 m3/j.

Secara teori, pam vakum seharusnya dapat mengeluarkan aliran ini. Dalam praktiknya, anda memerlukan sistem yang sangat besar (dan mahal) untuk melakukannya. Pilihan yang lebih ekonomik sering kali adalah menggunakan penyerap untuk menangkap aliran wap dan menukarkannya menjadi cecair, yang secara dramatik mengurangkan aliran gas ke pam vakum. Sebagai peraturan umum, anda memerlukan kira-kira satu meter persegi permukaan pemeluwapan untuk setiap 10 kg/jam aliran wap, jadi untuk menyejukkan 1000 kg salad kami, kami memerlukan pemeluwap sekitar 8–10 m2.

Pertimbangan yang tinggal adalah, pertama, sistem vakum mesti dapat mengosongkan ruang dari tekanan atmosfera ke tekanan akhir dalam masa yang diingini (25 minit dalam contoh salad). Ini boleh ditentukan melalui pengiraan kelajuan pam yang mudah, s = V/t ln (p0/p1), di mana V adalah isipadu ruang, dan p0 serta p1 adalah tekanan permulaan dan tekanan yang diingini. Kedua, sistem vakum perlu mampu mengendalikan aliran gas yang tinggal selepas penyejuk. Dengan mengandaikan kebocoran biasa pada ruang vakum – sekitar 5 kg udara per jam untuk ruang 10 m3 dengan penyegel standard – kami mengira aliran yang dihasilkan oleh wap yang tidak terkondensasi dan kebocoran yang ditinggalkan di belakang penyejuk untuk kedua-dua suhu permulaan dan akhir. Jumlah yang lebih tinggi daripada dua pengiraan di atas akan menentukan saiz sistem vakum. Dalam contoh salad, hasilnya adalah 570 m3/jam untuk kelajuan pam dan 1500 m3/jam untuk aliran akibat kebocoran dan wap yang tidak terkondensasi – jauh lebih rendah daripada yang diperlukan tanpa penyejuk.

Sistem penyejukan vakum untuk sayur-sayuran berdaun, salad dan bunga semuanya mempunyai reka bentuk yang serupa. Mereka sama ada dipasang dalam sebuah treler yang diletakkan bersebelahan dengan ladang di mana salad dituai, atau mereka diintegrasikan ke dalam kemudahan di mana salad dibersihkan dan dibungkus sebelum dihantar. Bilik pegun terbesar boleh dimuat dengan sehingga 20 palet secara serentak dan mampu memproses lebih daripada 300 tan sayur-sayuran setiap hari.

Penyejukan vakum adalah kaedah penyejukan yang cepat dan cekap tenaga dengan pelbagai aplikasi dalam pemprosesan makanan dan aplikasi industri lain.

Sebelum dimuat ke dalam ruang vakum, sayur-sayuran seperti selada sering disembur dengan air untuk mengimbangi kehilangan berat akibat penyejatan. Sebagai pintu ditutup, sistem vakum mula mengepam dan tekanan jatuh dari 1000 mbar kepada 15–20 mbar dalam masa 5 minit. Pada tekanan itu, dan pada suhu sekitar 20 °C, air mula menguap, dan proses penyejukan bermula. Selepas 15–20 minit, tekanan jatuh lebih jauh, kepada 5–6 mbar, dan produk mencapai suhu sekitar 2 °C. Semasa proses ini, sebuah penyejuk yang mengandungi campuran glikol dan air pada suhu –6 hingga –10 °C menangkap kebanyakan wap air, melindungi pam. Kemudian sistem pam dan penyejukan berhenti, dan ruang tersebut dibebaskan kembali kepada tekanan atmosfera dalam beberapa minit. Selepas itu, salad disimpan di dalam ruang sejuk di mana ia boleh disimpan selama 2–3 minggu tanpa rosak.

Selagi kondensor berfungsi dengan baik, tuntutan yang dikenakan oleh kitaran ini terhadap pam vakum adalah mudah, kerana suhu permulaan adalah agak rendah (sayur-sayuran yang baru dituai jarang lebih panas daripada 30 °C) dan jumlah air yang perlu diuapkan adalah terhad. Walau bagaimanapun, kehadiran zarah kotoran atau bahagian tumbuhan kecil boleh menjadi cabaran, dan terdapat beberapa pertukaran dalam merancang sistem yang sesuai dengan penyelenggaraan yang rendah dan kos yang berkesan. Sebagai contoh, pam vane putar yang ditutup dengan minyak adalah boleh dipercayai dan kos efektif, dengan keserasian wap air yang baik dan reka bentuk yang padat serta sepenuhnya disejukkan oleh udara yang memudahkan penggunaannya dalam sistem mudah alih. Namun, mereka memerlukan penapis masuk untuk melindungi diri daripada partikel, dan penyelenggaraan mereka memerlukan pertukaran minyak, penapis minyak dan pemisah asap secara berkala.

Pam vakum skru mempunyai toleransi yang lebih tinggi terhadap zarah, dan saiznya yang kecil, tahap bunyi yang rendah serta penggunaan tenaga yang rendah menjadikannya sangat sesuai untuk kemudahan pemprosesan makanan industri. Sebaliknya, kebanyakan versi memerlukan penyejukan air atau udara, dan kos awalnya lebih tinggi berbanding pam bilah berputar. Kedua-dua jenis pam boleh digunakan bersama dengan pam vakum roots, yang meningkatkan kelajuan pam sistem pada tekanan di bawah 50 mbar.

Kejayaan penyejukan vakum dalam mengekalkan kesegaran sayur-sayuran bermakna bahawa teknik serupa kini sedang digunakan untuk produk makanan lain. Roti dan pastri adalah salah satu contohnya. Dalam aplikasi ini, suhu permulaan adalah jauh lebih tinggi – sehingga 90 °C apabila roti gulung dikeluarkan dari oven – dan jumlah air yang terdapat dalam kitaran adalah dengan itu jauh lebih besar berbanding dengan sayur-sayuran.

Pam rotor tidak mempunyai toleransi wap air yang cukup tinggi untuk melakukan tugas tersebut, jadi pam skru adalah penyelesaian yang lebih baik. Mereka boleh menelan jumlah air yang besar tanpa pecah dan juga sangat toleran terhadap zarah-zarah kecil (tepung, biji popi atau biji bijan, dan sebagainya). Selain menjimatkan tenaga dan menyejukkan roti dengan lebih cepat, penyejukan vakum juga memberikan kelebihan kepada pengguna: roti yang disejukkan dengan vakum mempunyai kerak yang rangup dan isi yang gebu, memberikan lebih keseronokan ketika makan.

Kami juga mula melihat beberapa aplikasi bukan makanan untuk penyejukan vakum. Sebagai contoh, rumput di padang dalam stadium bola sepak profesional terkemuka sebenarnya tidak tumbuh di situ. Sebaliknya, ia dihasilkan di ladang khas, dituai dalam gulungan dan diangkut ke stadium tepat pada masanya untuk perlawanan. Terima kasih kepada penyejukan vakum, gulungan rumput ini dengan mudah bertahan dalam proses pengangkutan, menunggu hingga penyiraman seterusnya. Keperluan untuk menyejukkan rumput adalah serupa dengan keperluan untuk menyejukkan sayur-sayuran, kecuali bahawa jumlah air yang perlu dikeluarkan untuk mencapai suhu yang diingini adalah jauh lebih tinggi, disebabkan oleh jisim produk (termasuk tanah dan lumpur). Oleh itu, ia adalah pekerjaan yang lebih mencabar untuk pam vakum. Gabungan pam sudu berputar dan pemampat roots masih berfungsi dengan baik, tetapi pam memerlukan lebih banyak penyelenggaraan daripada yang biasa untuk menyejukkan sayur-sayuran.

Penyejukan vakum adalah kaedah penyejukan yang cepat dan cekap tenaga dengan pelbagai aplikasi dalam pemprosesan makanan (dan, semakin meningkat, di luar itu). Ia meningkatkan keselamatan makanan dan memanjangkan jangka hayat produk makanan. Cabaran yang dihadapi oleh sistem vakum adalah baru dan sangat bergantung kepada produk yang sedang disejukkan: sementara pam putar bilah yang disegel dengan minyak telah terbukti berkesan dalam menyejukkan sayur-sayuran, aplikasi lain memerlukan pemikiran yang inovatif. Teknologi pam kering sedang mencipta peluang untuk proses baru dan lebih canggih, termasuk penyejukan nasi sushi atau makanan yang disediakan untuk katering. 

Artikel ini pertama kali muncul dalam Physics World 2019 Fokus pada Instrumen & Vakum di bawah tajuk "Dari ladang ke meja" https://physicsworld.com/a/vacuum-keeps-food-fresh-and-cool-from-field-to-table/