การระบายความร้อนด้วยสุญญากาศ "จากฟิลด์สู่โต๊ะ" 11 เมษายน 2022

11 MIN READ

บทความนี้ปรากฏขึ้นครั้งแรกใน Physics World Focus on Instruments & Vacuum 2019 ภายใต้หัวข้อ "From field to table" https://physicsworld.com/a/vacuum-keeps-food-fresh-and-cool-from-field-to-table/

"การทําความเย็นด้วยสุญญากาศเป็นวิธีการที่รวดเร็วและประหยัดพลังงานในการทําให้อาหารเย็นลงและยืดอายุการเก็บรักษา ปัจจุบัน ความสําเร็จในอุตสาหกรรมอาหารกําลังผลักดันให้เกิดความสนใจในวงกว้างขึ้น"

- Pierre Lantheaume

นาฬิกาจะเริ่มทํางานทันทีที่หยอดผักกาดหอมออกจากทุ่งหรือนําขนมปังก้อนออกจากเตาอบ และหากไม่มีการแทรกแซงใดๆ เพื่อชะลอหรือหยุดนาฬิกานั้น ผลิตภัณฑ์อาหารจํานวนมากจะกลายเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์หรือไม่ปลอดภัยที่จะกินภายในไม่กี่วัน สําหรับผู้บริโภคที่อาศัยอยู่ติดกับฟาร์มหรือร้านเบเกอรี่ สิ่งนี้อาจเป็นที่ยอมรับได้ แต่สําหรับผู้ที่อาศัยอยู่ห่างจากที่ปลูกหรือแปรรูปอาหารของเราหลายสิบหรือหลายร้อยกิโลเมตร ก็เป็นเรื่องที่ไม่สามารถทําได้จริง

ในการต่อสู้เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียและรักษาความสดของผลิตภัณฑ์อาหาร การทําความเย็นเป็นอาวุธที่สําคัญ การลดอุณหภูมิของอาหารจะช่วยยืดอายุการเก็บรักษา รักษาความสดชื้น ชะลอการเจริญเติบโตของแบคทีเรียที่อาจทําให้อาหารเสียหายได้ ด้วยเหตุนี้ อาหารจึงมักถูกทําให้เย็นลงโดยเร็วที่สุดหลังจากการผลิตหรือเก็บเกี่ยว และอุตสาหกรรมทั้งหมดเติบโตขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการนี้

วิธีการทําความเย็นแบบดั้งเดิมใช้อากาศหรือน้ําเพื่อนําความร้อนออกจากอาหารผ่านการนําไฟฟ้าและลมร้อนร่วมกัน วิธีการเหล่านี้มีมานานหลายทศวรรษแล้ว แต่มีข้อเสียหลายประการ การทําให้พาเลทผักเย็นลงโดยใช้การหมุนเวียนอากาศแบบบังคับหรือการฉีดน้ําอาจใช้เวลาหลายชั่วโมง

ในช่วงเวลานี้ แบคทีเรียจะยังคงเจริญเติบโตและน้ําหล่อเย็น (อากาศหรือน้ํา) อาจปนเปื้อนจุลินทรีย์ที่เป็นอันตรายได้ เว้นแต่จะใช้ข้อควรระวังอย่างเข้มงวด การทําความเย็นแบบดั้งเดิมยังทําให้เกิดการกระจายอุณหภูมิที่ไม่สม่ําเสมอ เนื่องจากผลิตภัณฑ์อาหารที่ขอบภาชนะจะถูกทําให้เย็นลงเร็วกว่าที่ตรงกลาง และแน่นอนว่ากระบวนการนี้ใช้พลังงานมาก

อีกทางเลือกหนึ่งคือการทําให้อาหารเย็นลงโดยการใส่อาหารลงในช่องสุญญากาศ การระบายความร้อนด้วยสุญญากาศจะอิงตามหลักการของการระเหย: เมื่อน้ําระเหยจากผลิตภัณฑ์ พลังงานจะถูกนําออกและอุณหภูมิจะลดลง กระบวนการระเหยจะเริ่มขึ้นทันทีที่แรงดันลดลงต่ําพอที่จะทําให้น้ําเดือด และสามารถตั้งอุณหภูมิสุดท้ายที่ต้องการได้โดยการควบคุมแรงดันในห้องสุญญากาศ

เมื่อเปรียบเทียบกับการระบายความร้อนแบบดั้งเดิม การระบายความร้อนด้วยสุญญากาศจะรวดเร็ว ด้วยอุปกรณ์ที่เหมาะสม พาเลทผักที่ต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงในการทําให้เย็นลงผ่านการหมุนเวียนอากาศแบบบังคับสามารถทําให้เย็นลงได้ภายในไม่กี่นาที การระบายความร้อนด้วยสุญญากาศก็มีประสิทธิภาพเช่นกัน เนื่องจากต้องใช้พลังงานหนึ่งในสี่ของการระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับ

ประโยชน์สุดท้ายของการทําความเย็นด้วยสุญญากาศคือความปลอดภัย เนื่องจากการไหลของอากาศเป็นทิศทางเดียวทั้งหมด จากภายในสู่ภายนอก จึงไม่มีโอกาสที่อากาศที่อาจปนเปื้อนจะเข้ามาและไหลเวียนรอบ ๆ อาหาร ความเร็วในการระบายความร้อนด้วยสุญญากาศยังช่วยเพิ่มความปลอดภัย เนื่องจากการลดอุณหภูมิอย่างรวดเร็วทําให้แบคทีเรียมีโอกาสเติบโตน้อยลง

ข้อดีอีกประการหนึ่งคือเนื่องจากการระเหยจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวทั้งหมดในเวลาเดียวกัน การกระจายพื้นที่ของการระบายความร้อนจึงเป็นเนื้อเดียวกัน (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสําหรับผลิตภัณฑ์ที่มีอัตราส่วนพื้นผิวต่อพื้นที่ต่อปริมาตรสูง) ซึ่งทําให้อาหารที่ถูกทําให้เย็นสุญญากาศมีอายุการเก็บรักษายาวนานขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

อาหารบางชนิดไม่เหมาะสําหรับการทําความเย็นแบบสุญญากาศ เนื่องจากกระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับการระเหย ผลิตภัณฑ์จึงต้องมีน้ําเพียงพอสําหรับการระบายความร้อนเพื่อให้มีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ผักใบ เช่น ผักกาดหอม ซึ่งมีพื้นผิวขนาดใหญ่ ยังสามารถทําให้เย็นลงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าผักที่เป็นของแข็ง เช่น มะเขือเทศ แต่ข้อกําหนดทั้งสองข้อนี้ไม่มีข้อจํากัดเท่าที่คุณคาดหวัง อาหารจํานวนมากที่รู้สึกค่อนข้างแห้งในปาก เช่น ขนมปัง ยังมีน้ําเพียงพอที่จะระบายความร้อนด้วยสุญญากาศ และเนื่องจากการทําความเย็นด้วยสุญญากาศโดยทั่วไปจะกําจัดปริมาณน้ําในผลิตภัณฑ์เพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์เท่านั้น การสูญเสียมวลจึงน้อยกว่าที่คุณจะได้รับจากการทําความเย็นด้วยอากาศบังคับ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียรายได้จากอาหารที่จําหน่ายตามน้ําหนักให้เหลือน้อยที่สุด

ความท้าทายของสลัด

สําหรับผู้เชี่ยวชาญด้านสุญญากาศ งานออกแบบระบบเพื่อตอบสนองความต้องการของลูกค้าในอุตสาหกรรมอาหาร (ตรงข้ามกับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์) นั้นเป็นความท้าทายที่น่าสนใจบางอย่าง แต่หลักการพื้นฐานก็เหมือนกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การคํานวณขนาดของระบบทําความเย็นสุญญากาศต้องอิงตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน: ปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาในการทําความเย็นอาหารต้องเท่ากับปริมาณความร้อนที่ถูกดูดซับโดยการระเหยของน้ํา Q _{ที่ปล่อยออกมา} = Q _{ที่ถูกดูดซับ}

ด้านซ้ายของสมการนี้คํานวณโดยการคูณมวลของอาหารด้วยความร้อนจําเพาะและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิก่อนและหลังการทําให้เย็น Q _{ปล่อย} = m _{อาหาร} c_p ΔT ตัวอย่างเช่น หากเราต้องการทําให้สลัดเย็น 1,000 กก. ซึ่งเป็นวัสดุที่มีความร้อนจําเพาะ 3.9 kJ/(kg K) น้อยกว่าน้ําเล็กน้อยจาก 25 °C ถึง 5 °C เราจําเป็นต้องกระจายความร้อน 78,000 kJ ดังนั้นเราจําเป็นต้องระเหยน้ํากี่ครั้ง เอาล่ะ Q _ใช้ = m _น้ํา × Δh _vap โดยที่ Δ _hvap ความร้อนจากการระเหยของน้ําคือ 2466 kJ/kg ที่ 15 °C ดังนั้นคําตอบคือ 31.6 kg - ไม่กี่เปอร์เซ็นต์ของมวลเริ่มต้นของสลัด

คําถามถัดไปเกี่ยวข้องกับการไหลที่ระบบสุญญากาศต้องจัดการ หากเราต้องการให้เวลาในการทําให้สลัดเย็นลงโดยรวมเท่ากับ 30 นาที โดยให้เวลา 5 นาทีสําหรับการปั๊มออกระหว่างรอบการทําให้เย็น เราจําเป็นต้องมีระบบที่สามารถปั๊มไอน้ําออกได้ m = 76 _กก. ต่อชั่วโมง เพื่อแปลเป็นการไหลของปริมาตรที่มีประสิทธิภาพ v _eff เราใช้สมการ v _eff = m _{ไอน้ํา} × V_m /M × T _eff /T_N × P_N /P _eff โดยที่ V_m คือปริมาตรโมลาร์ของน้ํา (22.4 N m³/kmol); M คือมวลโมลาร์ (18 kg/kmol); T _eff และ P _eff คืออุณหภูมิและความดันที่มีประสิทธิภาพ และ T_N = 273 K และ P_N = 1013 mbar คืออุณหภูมิและความดันมาตรฐาน ที่ T _eff = 25 °C (298 K) แรงดันไอน้ําคือ 31.7 mbar ดังนั้นระบบสุญญากาศของเราจึงจําเป็นต้องปั๊ม 3299 m3/hr ในตอนแรก ที่อุณหภูมิสุดท้ายที่ 5 °C แรงดันไอน้ําจะลดลงเหลือ 8.72 mbar ซึ่งหมายความว่าระบบจะต้องปั๊ม 11,188 m3/hr

ขนมปังสองชิ้นที่ผ่านการทดสอบและเปรียบเทียบกัน

การทดสอบขนมปังที่เหมาะสมที่ดําเนินการโดยบริษัททําความเย็นและอบด้วยสุญญากาศ Cetravac แสดงให้เห็นว่าขนมปังที่ทําความเย็นด้วยสุญญากาศจะรักษาปริมาตรและโครงสร้างได้ดีกว่าขนมปังที่ทําความเย็นด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม

ในทางทฤษฎี ปั๊มสุญญากาศควรสามารถขจัดการไหลเหล่านี้ได้ อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ คุณจําเป็นต้องใช้ระบบขนาดใหญ่มาก (และมีราคาแพง) เพื่อทําเช่นนั้น ทางเลือกที่ประหยัดกว่ามักจะใช้คอนเดนเซอร์เพื่อดักจับการไหลของไอน้ําและแปลงเป็นของเหลว ซึ่งจะลดการไหลของก๊าซไปยังปั๊มสุญญากาศลงอย่างมาก ตามกฎทั่วไป คุณจําเป็นต้องมีพื้นที่ควบแน่นประมาณหนึ่งตารางเมตรต่อการไหลของไอน้ํา 10 กก./ชม. ดังนั้นในการทําให้สลัด 1000 กก. ของเราเย็นลง เราจําเป็นต้องใช้เครื่องควบแน่นประมาณ 8-10 ตารางเมตร

ข้อพิจารณาที่เหลืออยู่คือ ประการแรก ระบบสุญญากาศต้องสามารถไล่อากาศออกจากห้องอบจากความดันบรรยากาศจนถึงความดันขั้นสุดท้ายในเวลาที่ต้องการ (25 นาทีในตัวอย่างสลัด) ซึ่งสามารถกําหนดได้โดยการคํานวณความเร็วในการปั๊มแบบง่ายๆ s = V/t ln (p0/p1) โดยที่ V คือปริมาตรของห้อง และ p0 และ p1 คือแรงดันเริ่มต้นและแรงดันที่ต้องการ ประการที่สอง ระบบสุญญากาศจําเป็นต้องสามารถจัดการกับการไหลของก๊าซที่เหลืออยู่หลังคอนเดนเซอร์ สมมติว่ามีการรั่วไหลทั่วไปในห้องสุญญากาศ - ประมาณ 5 กก. ของอากาศต่อชั่วโมงสําหรับห้อง 10 ม.3 ที่มีซีลมาตรฐาน - เราคํานวณการไหลที่เกิดจากไอน้ําที่ไม่ควบแน่นและการรั่วไหลที่เหลืออยู่หลังคอนเดนเซอร์สําหรับทั้งอุณหภูมิเริ่มต้นและอุณหภูมิสิ้นสุด ค่าที่สูงกว่าจากการคํานวณข้างต้นสองค่าจะเป็นตัวกําหนดขนาดของระบบสุญญากาศ ในตัวอย่างสลัด ผลลัพธ์คือ 570 m3/hr สําหรับความเร็วในการปั๊มและ 1500 m3/hr สําหรับอัตราการไหลเนื่องจากการรั่วไหลและไอน้ําที่ไม่ควบแน่น ซึ่งน้อยกว่าที่จําเป็นหากไม่มีเครื่องควบแน่น

ปฏิบัติการ

ระบบทําความเย็นสุญญากาศสําหรับผักใบ สลัด และดอกไม้ทั้งหมดมีการออกแบบที่คล้ายคลึงกัน โดยจะติดตั้งไว้ในรถพ่วงที่อยู่ถัดจากฟาร์มที่เก็บเกี่ยวสลัด หรือรวมเข้ากับโรงงานที่ทําความสะอาดและบรรจุสลัดก่อนจัดส่ง ห้องแบบอยู่กับที่ที่ใหญ่ที่สุดสามารถโหลดพาเลทได้สูงสุด 20 พาเลทพร้อมกัน และสามารถแปรรูปผักได้มากกว่า 300 ตันต่อวัน

การทําความเย็นด้วยสุญญากาศเป็นวิธีการทําความเย็นที่รวดเร็วและประหยัดพลังงานที่มีการใช้งานที่หลากหลายในการแปรรูปอาหารและการใช้งานทางอุตสาหกรรมอื่นๆ

ก่อนที่จะบรรจุผักลงในห้องสุญญากาศ ผัก เช่น ผักกาดหอม มักจะถูกฉีดพ่นด้วยน้ําเพื่อชดเชยการสูญเสียน้ําหนักเนื่องจากการระเหย ทันทีที่ประตูปิด ระบบสุญญากาศจะเริ่มปั๊มและแรงดันจะลดลงจาก 1000 mbar เป็น 15-20 mbar ภายใน 5 นาที ที่ความดันดังกล่าว และที่อุณหภูมิประมาณ 20 °C น้ําจะเริ่มระเหยและกระบวนการระบายความร้อนจะเริ่มต้นขึ้น หลังจากผ่านไป 15-20 นาที แรงดันจะลดลงอีก 5-6 mbar และผลิตภัณฑ์จะมีอุณหภูมิประมาณ 2 °C ในระหว่างกระบวนการ คอนเดนเซอร์ที่มีส่วนผสมของไกลคอลและน้ําที่อุณหภูมิ -6 ถึง -10 °C จะดักจับไอน้ําส่วนใหญ่เพื่อปกป้องปั๊ม จากนั้นระบบปั๊มและระบบระบายความร้อนจะหยุดทํางาน และห้องอบจะระบายอากาศกลับสู่ความดันบรรยากาศภายในไม่กี่นาที หลังจากนั้น สลัดจะถูกเก็บไว้ในห้องเย็น ซึ่งสามารถเก็บไว้ได้ 2-3 สัปดาห์โดยไม่ทําให้เสียหาย

ตราบใดที่เครื่องควบแน่นทํางานได้ดี ความต้องการที่รอบนี้วางไว้บนปั๊มสุญญากาศจะเป็นเรื่องตรงไปตรงมา เนื่องจากอุณหภูมิเริ่มต้นค่อนข้างต่ํา (ผักที่เพิ่งเก็บเกี่ยวไม่ค่อยมีอุณหภูมิสูงกว่า 30 °C) และปริมาณน้ําที่จะระเหยมีจํากัด อย่างไรก็ตาม การมีอนุภาคสิ่งสกปรกหรือชิ้นส่วนขนาดเล็กของโรงงานอาจเป็นความท้าทาย และมีข้อตัดสินบางประการในการออกแบบระบบที่ต้องการการบํารุงรักษาต่ําและคุ้มค่า ตัวอย่างเช่น ปั๊มใบพัดโรตารี่ซีลน้ํามันมีความน่าเชื่อถือและคุ้มค่า มีความเข้ากันได้กับไอน้ําที่ดี และการออกแบบที่กะทัดรัดและระบายความร้อนด้วยอากาศเต็มรูปแบบที่ทําให้ใช้งานในระบบเคลื่อนที่ได้ง่าย อย่างไรก็ตาม จําเป็นต้องใช้ตัวกรองทางเข้าเพื่อป้องกันอนุภาคต่างๆ และการบํารุงรักษาต้องเปลี่ยนน้ํามัน ตัวกรองน้ํามัน และเครื่องกําจัดไอเสียเป็นประจํา

ปั๊มสุญญากาศแบบสกรูมีความทนทานต่ออนุภาคสูงกว่า และมีขนาดเล็ก ระดับเสียงรบกวนต่ํา และใช้พลังงานต่ํา จึงเหมาะอย่างยิ่งสําหรับโรงงานแปรรูปอาหารอุตสาหกรรม ในทางกลับกัน ปั๊มสุญญากาศแบบสกรูส่วนใหญ่จําเป็นต้องใช้ระบบระบายความร้อนด้วยน้ําหรืออากาศ และต้นทุนเบื้องต้นสูงกว่าปั๊มใบพัดโรตารี่ ปั๊มทั้งสองประเภทสามารถใช้ร่วมกับปั๊มสุญญากาศ Roots ซึ่งช่วยเพิ่มความเร็วในการปั๊มของระบบที่แรงดันต่ํากว่า 50 mbar

มากกว่าผัก

ความสําเร็จของการทําความเย็นด้วยสุญญากาศในการรักษาความสดของผักหมายความว่าปัจจุบันมีการนําเทคนิคที่คล้ายคลึงกันมาใช้กับผลิตภัณฑ์อาหารอื่น ๆ ขนมปังและขนมอบเป็นตัวอย่างหนึ่ง ในการใช้งานนี้ อุณหภูมิเริ่มต้นจะสูงกว่ามาก สูงถึง 90 °C เมื่อขนมปังโรลออกจากเตาอบ ดังนั้นปริมาณน้ําในวงจรจึงมากกว่าผัก

ปั๊มใบพัดโรตารี่มีความทนทานต่อไอน้ําไม่สูงพอที่จะทํางานได้ ดังนั้นปั๊มสกรูจึงเป็นโซลูชันที่ดีกว่า สามารถกลืนน้ําปริมาณมากได้โดยไม่แตกหัก และยังทนทานต่ออนุภาคขนาดเล็กมาก (แป้ง ดอกป๊อปปี้ หรือเมล็ดงา ฯลฯ) นอกเหนือจากการประหยัดพลังงานและการทําให้ขนมปังเย็นลงเร็วขึ้นแล้ว การทําความเย็นด้วยสุญญากาศยังมีข้อได้เปรียบสําหรับผู้บริโภคอีกด้วย: ขนมปังที่ทําความเย็นด้วยสุญญากาศจะมีเปลือกกรุบกรอบและมีเนื้อนุ่ม ทําให้รับประทานอาหารได้สุขสบายยิ่งขึ้น

นอกจากนี้ เรายังเริ่มเห็นการใช้งานการทําความเย็นด้วยสุญญากาศที่ไม่ใช่อาหารอีกด้วย ตัวอย่างเช่น หญ้าบนสนามในสนามฟุตบอลระดับมืออาชีพชั้นนําไม่ได้เจริญเติบโตที่นั่นจริงๆ แต่ผลิตในฟาร์มพิเศษ เก็บเกี่ยวในม้วน และขนส่งไปยังสนามกีฬาในเวลาที่เหมาะสมสําหรับเกม ด้วยการระบายความร้อนด้วยสุญญากาศ ม้วนหญ้าเหล่านี้จะอยู่รอดกระบวนการขนส่งได้อย่างง่ายดาย แขวนไว้จนกว่าจะรดน้ําครั้งถัดไป ข้อกําหนดในการทําความเย็นของหญ้าคล้ายคลึงกับการทําความเย็นของผัก ยกเว้นว่าปริมาณน้ําที่ต้องสกัดเพื่อให้ได้อุณหภูมิที่ต้องการสูงขึ้นอย่างมีนัยสําคัญ เนื่องจากมวลของผลิตภัณฑ์ (รวมถึงดินและโคลน) ดังนั้นจึงเป็นงานที่ท้าทายมากขึ้นสําหรับปั๊มสุญญากาศ การผสมผสานระหว่างปั๊มใบพัดโรตารี่และโบลเวอร์ Roots ยังคงทํางานได้ดี แต่ปั๊มต้องมีการบํารุงรักษามากกว่าปกติสําหรับการระบายความร้อนผัก

สรุป

การทําความเย็นด้วยสุญญากาศเป็นวิธีการทําความเย็นที่รวดเร็วและประหยัดพลังงานที่มีการใช้งานที่หลากหลายในการแปรรูปอาหาร (และเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ นอกเหนือจากนั้น) ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยของอาหารและยืดอายุการเก็บรักษาของผลิตภัณฑ์อาหาร ความท้าทายที่เกิดขึ้นกับระบบสุญญากาศนั้นทั้งใหม่และขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์ที่จะระบายความร้อน: ในขณะที่ปั๊มใบพัดโรตารี่ซีลน้ํามันได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพในการระบายความร้อนผัก แต่การใช้งานอื่นๆ ก็ต้องการความคิดที่เป็นนวัตกรรม เทคโนโลยีการปั๊มแบบแห้งกําลังสร้างโอกาสสําหรับกระบวนการใหม่ๆ ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น รวมถึงการทําความเย็นข้าวซูชิหรืออาหารที่เตรียมไว้สําหรับจัดเลี้ยง