Vakumlu Soğutma "Sahadan masaya" 11 Nisan 2022

11 MIN READ

Bu makale ilk olarak 2019 Physics World Focus on Instruments & Vacuum'da "From field to table" başlığı altında yayınlandı https://physicsworld.com/a/vacuum-keeps-food-fresh-and-cool-from-field-to-table/

"Vakumlu soğutma, gıdaları soğutmak ve raf ömrünü uzatmak için hızlı ve enerji tasarruflu bir yöntemdir. Artık gıda endüstrisindeki başarısı daha fazla ilgi uyandırıyor"

- Pierre Lantheaume

Saat, tarladan bir marul çıkarılır çıkarılmaz veya fırından bir sandviç ekmeği çıkarılır çıkarılmaz çalışmaya başlar ve bu saati yavaşlatmak veya durdurmak için herhangi bir müdahalede bulunulmazsa, birçok gıda ürünü birkaç gün içinde rahatsız edici veya yenmesi güvenli olmayan hale gelir. Bir çiftliğin veya fırının hemen yanında yaşayan tüketiciler için bu kabul edilebilir olabilir, ancak gıdalarımızın yetiştirildiği veya işlendiği yerden onlarca, hatta yüzlerce kilometre uzakta yaşayanlar için bu pratik değildir.

Atıkları önleme ve gıda ürünlerini taze tutma mücadelesinde soğutma önemli bir silahtır. Gıdaların sıcaklığının düşürülmesi raf ömrünü uzatır, tazeliğini korur ve aksi takdirde bozulmasına neden olabilecek bakterilerin üremesini yavaşlatır. Bu nedenle, gıdalar genellikle üretildikten veya hasat edildikten sonra mümkün olduğunca hızlı bir şekilde soğutulur ve tüm endüstri bu ihtiyacı karşılamak için büyümüştür.

Geleneksel soğutma yöntemleri, ısıyı iletim ve konveksiyon kombinasyonu yoluyla gıdadan uzaklaştırmak için hava veya su kullanır. Bu yöntemler onlarca yıldır kullanılmaktadır, ancak bazı dezavantajları vardır. Bir sebze paletinin zorunlu hava sirkülasyonu veya su jeti kullanılarak soğutulması saatler sürebilir.

Bu süre zarfında bakteriler çoğalmaya devam eder ve katı önlemler alınmadığı takdirde soğutma sıvısı (hava veya su) zararlı mikroorganizmalarla kirlenebilir. Geleneksel soğutma aynı zamanda eşit olmayan bir sıcaklık dağılımına da neden olur, bu sayede gıda ürünleri konteynerlerin kenarlarında merkezdekilerden daha hızlı soğutulur. Ve elbette bu süreç çok enerji yoğundur.

Alternatif olarak, gıdaları vakum haznesine koyarak soğutabilirsiniz. Vakumlu soğutma, buharlaşma prensibine dayanır: Su üründen buharlaştığında enerji giderilir ve sıcaklık düşer. Buharlaştırma işlemi, basınç suyun kaynatılması için yeterince düştüğünde başlar ve istenen nihai sıcaklık vakum haznesindeki basınç kontrol edilerek ayarlanabilir.

Geleneksel soğutmaya kıyasla vakumlu soğutma hızlıdır. Doğru ekipmanla, hava sirkülasyonu yoluyla soğuması birkaç saat süren bir sebze paleti birkaç dakika içinde soğutulabilir. Vakumlu soğutma da verimlidir ve zorunlu hava soğutmanın enerjisinin dörtte birini gerektirir.

Vakumlu soğutmanın son bir avantajı da güvenliktir. Hava akışı tamamen tek yönlü olduğundan, içeriden dışarıya doğru, potansiyel olarak kirlenmiş havanın içeri girmesi ve gıdanın etrafında dolaşması olasılığı yoktur. Hızlı sıcaklık düşüşü bakterilerin çoğalma şansını azalttığından, vakum soğutma hızı da güvenliği artırır.

Buharlaşmanın tüm yüzeylerde aynı anda gerçekleşmesi nedeniyle soğutmanın mekansal dağılımının homojen olması da bir diğer avantajdır (özellikle yüzey alanı/hacim oranı yüksek olan ürünler için). Bu, vakumla soğutulan gıdaların raf ömrünü önemli ölçüde uzatır.

Tüm gıdalar vakumla soğutmaya uygun değildir. İşlem buharlaşmaya dayalı olduğundan, ürünün etkili soğutma için yeterli su içermesi gerekir. Ayrıca, büyük bir yüzey alanına sahip olan marul gibi yapraklı sebzeler, domates gibi katı sebzelerden daha verimli bir şekilde soğutulabilir. Ancak bu gereksinimlerin hiçbiri beklediğiniz kadar kısıtlayıcı değildir. Ekmek gibi ağızda nispeten kuru hissettiren birçok yiyecek, vakumla soğutulacak kadar su içerir. Vakumlu soğutma genellikle ürünün su içeriğinin yalnızca yüzde birkaçını temizlediğinden, kütle kaybı basınçlı hava soğutmasıyla elde edeceğinizden daha azdır ve ağırlıkça satılan gıdalarda gelir kaybını en aza indirir.

Salata meydan okuması

Vakum uzmanları için, gıda endüstrisindeki bir müşterinin ihtiyaçlarını karşılayacak bir sistem tasarlama görevi (bilimsel araştırmaların aksine) bazı ilginç zorluklar barındırır. Ancak temel prensipler aynıdır. Özellikle, vakumlu soğutma sisteminin ne kadar büyük olması gerektiğine ilişkin hesaplama, enerji tasarrufu yasasına dayanır: gıdanın soğutulması sırasında açığa çıkan ısı miktarı, suyun buharlaştırılmasıyla alınan ısı miktarına eşit olmalıdır, Q açığa _çıkan = Q _alınan.

Bu denklemin sol tarafı, yiyeceğin kütlesinin özgül ısısıyla ve soğutma öncesi ve sonrasındaki sıcaklık değişikliğiyle çarpılmasıyla hesaplanır, Q serbest _bırakılır = m _yiyecek c_p ΔT. Örneğin, 3,9 kJ/(kg K) özgül ısıya sahip, sudan biraz daha az ısıya sahip 1000 kg salatayı 25°C'den 5°C'ye soğutmak istiyorsak, 78.000 kJ ısı dağıtmamız gerekir. Peki ne kadar su buharlaştırmamız gerekiyor? Evet, _alınan Q = m_su × Δh _buhar, burada Δ _hvap, suyun buharlaşma ısısı, 15 °C'de 2466 kJ/kg'dır, bu nedenle cevap 31,6 kg'dır - salatanın başlangıç kütlesinin yüzde birkaçıdır.

Bir sonraki soru, vakum sisteminin başa çıkması gereken akışla ilgilidir. Salatanın toplam soğutma süresinin 30 dakika olmasını ve soğutma döngüleri arasında pompalama için 5 dakika olmasını istiyorsak, saatte m _buhar = 76 kg buhar pompalayabilen bir sisteme ihtiyacımız var. Bunu etkili hacimsel akışa v _eff çevirmek için, denklem v _eff = m _buhar × V_m /M × T _eff /T_N × P_N /P _eff 'i kullanırız; burada V_m suyun molar hacmidir (22,4 N m³/kmol); M molar kütlesidir (18 kg/kmol); T _eff ve P _eff etkili sıcaklık ve basınçtır; ve T_N = 273 K ve P_N = 1013 mbar norm sıcaklık ve basınçtır. T _eff = 25 °C'de (298 K), suyun buhar basıncı 31,7 mbar'dır, bu nedenle vakum sistemimizin başlangıçta 3299 m3/saat pompalaması gerekir. 5 °C'lik son sıcaklıkta suyun buhar basıncı 8,72 mbar'a düşer, bu da sistemin 11.188 m3/saat pompalaması gerektiği anlamına gelir.

Test edilmiş ve karşılaştırılmış iki ekmek.

Doğru tüyler Vakumlu soğutma ve fırınlama şirketi Cetravac tarafından yapılan testler, vakumlu soğutulmuş ekmeğin hacmini ve yapısını geleneksel yöntemlerle soğutulmuş ekmekten daha iyi koruduğunu göstermektedir.

Teorik olarak, bir vakum pompası bu akışları giderebilmelidir. Ancak pratikte bunu yapmak için çok büyük (ve pahalı) bir sisteme ihtiyacınız olacaktır. Daha ekonomik olan seçenek genellikle buhar akışını yakalamak ve sıvıya dönüştürmek için bir kondenser kullanmaktır. Bu da vakum pompasına giden gaz akışını önemli ölçüde azaltır. Kural olarak, her 10 kg/saat buhar akışı için yaklaşık bir metrekare yoğuşma yüzeyine ihtiyacınız vardır, bu nedenle 1000 kg salatamızı soğutmak için yaklaşık 8-10 m2'lik bir kondansatöre ihtiyacımız olacaktır.

Diğer hususlar, öncelikle vakum sisteminin hazneyi istenen sürede (salata örneğinde 25 dakika) atmosferik basınçtan nihai basınca tahliye edebilmesidir. Bu, basit bir pompalama hızı hesaplamasıyla belirlenebilir, s = V/t ln (p0/p1), burada V haznenin hacmidir ve p0 ve p1 başlangıç ve istenen basınçlardır. İkinci olarak, vakum sisteminin kondenserden sonra kalan gaz akışını işleyebilmesi gerekir. Vakum haznesindeki tipik bir sızıntıyı (standart contalara sahip 10 m3 hazne için saatte yaklaşık 5 kg hava) varsayarak, hem başlangıç hem de bitiş sıcaklıkları için kondenserin arkasında kalan yoğuşmamış buhar ve sızıntılar tarafından üretilen akışı hesapladık. Yukarıdaki iki hesaplamadan hangisinin yüksek olduğu vakum sisteminin boyutunu belirler. Salata örneğinde, sonuçlar pompalama hızı için 570 m3/sa ve sızıntılar ve yoğuşmamış buhar nedeniyle akış için 1500 m3/sa idi - kondenser olmadan gerekli olandan çok daha az.

Saha çalışması

Yapraklı sebzeler, salatalar ve çiçekler için vakumlu soğutma sistemleri benzer bir tasarıma sahiptir. Salatanın hasat edildiği alanın yanına yerleştirilen bir römorka kurulur veya salataların sevkiyattan önce temizlendiği ve paketlendiği tesislere entegre edilirler. En büyük sabit hazneler aynı anda 20 palete kadar yüklenebilir ve her gün 300 tondan fazla sebze işleyebilir.

Vakumlu soğutma, gıda işleme ve diğer endüstriyel uygulamalarda çok çeşitli uygulamalara sahip hızlı ve enerji verimli bir soğutma yöntemidir

Marul gibi sebzeler, vakum haznesine yüklenmeden önce genellikle buharlaşma nedeniyle oluşan ağırlık kaybını telafi etmek için su püskürtülür. Kapı kapanır kapanmaz vakum sistemi pompalamaya başlar ve basınç 5 dakika içinde 1000 mbar'dan 15-20 mbar'a düşer. Bu basınçta ve yaklaşık 20°C sıcaklıkta su buharlaşmaya başlar ve soğutma işlemi başlar. 15-20 dakika sonra basınç 5-6 mbar'a düşmeye devam eder ve ürün yaklaşık 2 °C'lik bir sıcaklığa ulaşır. İşlem sırasında, -6 ila -10 °C sıcaklıkta glikol ve su karışımı içeren bir kondenser su buharının çoğunu tutar ve pompaları korur. Ardından pompalama ve soğutma sistemleri durur ve hazne birkaç dakika içinde tekrar atmosferik basınca havalandırılır. Ardından salatalar, bozulmadan 2-3 hafta saklanabilecekleri soğuk bir odada saklanır.

Kondenser işini iyi yaptığı sürece, bu döngünün vakum pompalarına getirdiği talepler basittir, çünkü başlangıç sıcaklığı oldukça düşüktür (taze hasat edilen sebzeler nadiren 30 °C'den sıcaktır) ve buharlaştırılacak su miktarı sınırlıdır. Bununla birlikte, kir partiküllerinin veya küçük tesis parçalarının varlığı zor olabilir ve uygun düzeyde düşük bakım gerektiren ve uygun maliyetli sistemler tasarlamakta bazı uzlaşmalar vardır. Örneğin, yağ sızdırmaz döner paletli pompalar, iyi su buharı uyumluluğu ve mobil sistemlerde kullanımı kolaylaştıran kompakt, tamamen hava soğutmalı tasarımıyla güvenilir ve uygun maliyetlidir. Ancak partiküllere karşı korumak için giriş filtrelerine ihtiyaçları vardır ve bunların bakımı yağ, yağ filtreleri ve egzoz buğu gidericilerinin düzenli olarak değiştirilmesini gerektirir.

Vidalı vakum pompaları partiküllere karşı daha yüksek toleransa sahiptir ve küçük boyutları, düşük gürültü seviyeleri ve düşük enerji tüketimleri onları endüstriyel gıda işleme tesisleri için ideal hale getirir. Diğer yandan, çoğu versiyon su veya hava soğutma gerektirir ve başlangıç maliyetleri döner paletli pompalardan daha yüksektir. Her iki pompa tipi de 50 mbar'ın altındaki basınçlarda sistemin pompalama hızını artıran bir Roots vakum pompası ile birlikte kullanılabilir.

Sebzelerin ötesinde

Sebzelerin taze tutulmasında vakumlu soğutmanın başarısı, benzer tekniklerin artık diğer gıda ürünlerine de uygulandığı anlamına geliyor. Ekmek ve hamur işleri buna bir örnektir. Bu uygulamada başlangıç sıcaklığı çok daha yüksektir - ekmek ruloları fırından boşaltıldığında 90°C'ye kadar - ve bu nedenle döngüde bulunan su miktarı sebzelerde olduğundan önemli ölçüde daha fazladır.

Döner paletli pompalar, işi yapmak için yeterince yüksek su buharı toleransına sahip değildir, bu nedenle vidalı pompalar daha iyi bir çözümdür. Kırılmadan büyük miktarda su yutabilirler ve aynı zamanda küçük parçacıklara (un, kavun veya susam tohumu vb.) karşı da çok toleranslıdırlar. Vakumlu soğutma, enerji tasarrufu sağlamanın ve ekmeğin daha hızlı soğutulmasının yanı sıra tüketiciler için de avantajlar sunar: Vakumlu soğutulan ekmek, çıtır kabuklu ve yumuşak kıvamlı bir kıvama sahiptir ve yemek yeme sırasında daha fazla keyif sağlar.

Ayrıca gıda dışı vakum soğutma uygulamaları da görmeye başlıyoruz. Örneğin en iyi profesyonel futbol stadyumlarındaki sahadaki çimler orada gerçekten büyümüyor. Bunun yerine özel çiftliklerde üretilir, rulolar halinde toplanır ve maçlar için zamanında stadyuma taşınır. Vakumlu soğutma sayesinde bu çim ruloları taşıma sürecinden kolayca kurtulur ve bir sonraki sulamaya kadar asılı kalır. Soğutma çimlerinin gereksinimleri, ürünün kütlesi (toprak ve çamur dahil) nedeniyle istenen sıcaklığa ulaşmak için çıkarılması gereken su miktarının önemli ölçüde daha yüksek olması dışında sebzelerin soğutulmasıyla benzerdir. Bu nedenle vakum pompası için daha zorlu bir iştir. Döner paletli pompalar ve roots blower'ların kombinasyonu hala iyi çalışıyor, ancak pompalar sebze soğutmada yaygın olandan daha fazla bakım gerektiriyor.

Özet

Vakumlu soğutma, gıda işlemede (ve gittikçe daha fazlası) çok çeşitli uygulamalara sahip hızlı ve enerji tasarruflu bir soğutma yöntemidir. Gıda güvenliğini artırır ve gıda ürünlerinin raf ömrünü uzatır. Vakum sistemlerinde ortaya çıkan zorluklar hem yenidir hem de soğutulan ürüne büyük ölçüde bağlıdır: Yağ sızdırmaz döner paletli pompalar sebzelerin soğutulmasında etkili olduğu kanıtlanmış olsa da diğer uygulamalar yenilikçi düşünce gerektirir. Kuru pompalama teknolojisi, suşi pirinç veya catering için hazırlanan gıdaların soğutulması da dahil olmak üzere yeni ve daha gelişmiş prosesler için fırsatlar yaratmaktadır.