Raport De Cercetare Nr. 1 Final 1 [306079]

CUPRINS

INTRODUCERE 2

I.1. Considerații generale privind importanța conservării prin uscare 2 a fructelor și legumelor

I.2. Caracteristici fructe și legume supuse deshidratării 3

I.3. Importanța conservării prin uscare a legumelor și fructelor 5

CAPITOLUL 1 7

[anonimizat] A PRODUSELOR VEGETALE

CAPITOLUL 2 11

[anonimizat] – DESHIDRATARE

CAPITOLUL 3 15

[anonimizat] 4 21

INSTALATII FOLOSITE LA USCAREA PRODUSELOR VEGETALE

4.1. Uscătorul cu benzi suprapuse 21

4.2. Uscătorul tip tunel 23

4.3. Instalația de deshidratare convectivă 26

4.4. Uscătoare tip modulară 29

4.5. Concluzii 30

CAPITOLUL 5 31

PROCESUL DE USCARE AL PRODUSELOR VEGETALE IN USCATOARE CONVECTIVE CU AJUTORUL CURENTILOR CALZI SI INSTALATIILE PENTRU ACEST TIP DE USCARE

5.1. Calculul termic al instalațiilor de uscare de tip convectiv 32

4.2. Cinetica desfășurării proceselor convective de uscare 37

CONCLUZII 44

BIBLIOGRAFIE 45

INTRODUCERE

I.1. Considerații generale privind importanța conservării prin uscare a [anonimizat], [anonimizat], sodiul sau magneziul etc., consumul acestora pe toată durata anului fiind benefic pentru sănătate. Condițiile pedoclimatice și de relief din România au făcut ca pe acest teritoriu să se cultive o [anonimizat] 15 familii botanice. [anonimizat], [anonimizat], care le măresc considerabil costurile. [8]

Uscarea este una din modalitățile tradiționale și totuși mereu modernă de păstrare pe durate mari de timp a legumelor și fructelor pentru consum direct sau pentru industrializare fără aport de consevanți și cu un consum redus de energie pentru păstrare și reprocesare. Uscarea convectivă este o tehnologie mare consumatoare de energie termică ceea ce în multe situații o [anonimizat]. Scăderea rapidă a [anonimizat], precum și evoluția tehnologiilor din construcția de mașini au determinat o descentralizare a procesării prin uscare a legumelor și fructelor, o deplasare a instalațiilor de uscare spre locul de recoltare a produselor de uscat. [1] Acest aspect face ca utilizarea uscătoarelor mobile să fie dependentă de utilizarea motrinei și a GPL, combustibili cu o [anonimizat]2. [2]

Uscarea este o [anonimizat], care, [anonimizat]. Schimbările fizice ce pot apare sunt: contrctarea, umflarea, cristalizarea, transformări în sticlă. În anumite cazuri, pot apare reacții chimice sau biochimice dorite sau nedorite ce pot afecta culoarea, textura, mirosul sau alte proprietăți ale produsului solid.[1]

În procedeele intensive de uscare, se urmãrește realizarea unui contact uniform între agentul termic și granulele de biomaterial care se realizeazã în structuri ale stratului relativ omogene. Acest deziderat este impus de faptul cã în tratarea termicã a biomaterialelor pot avea loc degradãri semnificative ale calitãții produsului final. [15]

Operația de separare a uscării convertește un solid, semi-solid, sau materie primă lichidă într-un produs solid prin evaporarea lichidului într-o fază de vapori prin aplicare de căldură. În cazul special al liofilizarii, care are loc sub punctul triplu al lichidului indepartat, uscarea apare prin sublimarea fazei solide direct în faza de vapori. Această definiție totuși exclude conversia unei faze lichide într-o fază lichidă concentrată (evaporare), operații de secare mecanică cum ar fi filtrarea, centrifugarea, sedimentarea, extracția superficială a apei din geluri pentru producerea aerogrluri cu porozitate foarte mare (extracție) sau asa numita uscare a lichidelor si gazelor folosind site moleculare (adsorbtie). Schimbarea de fază si producerea unei faze solide ca produs final, sunt aspecte esențiale ale procesului de uscare.[1]

O bună tradiție s-a format la români referitoare la conservarea prin uscare a unor legume și fructe importante, precum prunele, merele, păstăile de fasole, ciupercile, morcovii etc. În gospodăriile țărănești uscarea se făcea natural, folosind căldura solară, astfel încât costurile conservării erau destul de reduse. Trecerea la eliminarea surplusului de apă din legume și fructe prin deshidratare controlată, în echipamente tehncie de mare capacitate, s-a dovedit benefică pentru posibilitatea de păstrare și utilizare a produselor astfel conservate pe perioade îndelungate, în special iarna și primăvara, când produsele proaspete sunt mai rare și mai scumpe și când organismul uman are nevoie mai mare de conținuturile lor. Dar deshidratarea este un proces energointensiv, ceea ce a făcut ca în multe țări, inclusiv în România, acest procedeu să se utilizeze tot mai puțin, fiind chiar pe punctul de dispariție. Față de această situație, cercetătorii din țările avansate au gasit soluții noi de echipamente tehnice pentru uscarea legumelor și fructelor, cu randamente superioare și cu asigurarea la produsele finite a unor proprietăți alimentare și senzoriale tot mai înalte. [8]

Obiectivele raportului

Realizarea acestui prim Raport de Cercetare Științifică are ca scop realizarea unei documentații temeinice în ceea ce priveste procesul de uscare a produselor vegetale, cu precadere a metodei de uscare cu ajutorul uscătoarelor convective.

Acesta inglobează la un nivel teoretic general o analiză privind factorii de influență ai procesului de deshidratare a și tehnologiile utilizate în mod uzual. Se va face fundamentarea tehnologiilor utilizate uzual în legatură cu procesul de deshidratare.

I.2. Caracteristicile fructelor și legumelor supuse deshidratării

Desidratarea fructelor și legmelor este o validă alternativă de conservare a produselor, grădinelor, serelor, etc., fără a necesita fierberea lor îndelungată, punerea în oțet sau în ulei, sterilizarea, etc.

Se folosește soarele (în mod tradițional) sau alte surse de căldură pentru eliminarea apei din aceste alimente pentru a putea fi păstrate mult timp. Dacă uscarea fructelor și legumelor este efectuată la o temperatură de sub 40șC, ele își păstrează toate proprietățile cum ar fi enzimele și vitaminele,menținandu-și un gust și un parfum simlar cu produsul originar. Este ca și cum ar fi în stare proaspată. [15]

Fig. I.1. Amestec de fructe și legume în stare naturala. [16]

Totul poate fi deshidratat în vederea conservării: fructele, legumele, verdețurile, ierburile aromatice, ciupercile, în funcție de gust și de conveniența. Când se pregătesc fructele și legumele pentru a fi uscate, trebuie luată în considerare transformarea lor în ceea ce privește forma culoarea sau proprietățile: mai exact, eliminând cea mai mare parte din conținutul de apă al acestor alimente, se va reduce substanțial dimensiunea lor, și vor suferi și transformări de culoare. [15]

Fructele

Se vor alege doar fructele bine maturate si fara nici cea mai mica urmă de putreziciune, mucegai sau alte semne de vătămare. Se spală și se usucă bine. Apoi fructele (smochine, caise, cirese, prune, etc.) se taie în jumătate sau în felii de ½ cm și 1 cm (merele, perele, etc.). Strugurii se usucă cu sâmburi cu tot.  Nu se recomandă să se deshidrateze fructele cu un bogat conținut de apă, cum ar fi căpșunile, pepenii galbeni, lubenița. [15]

Legumele

Se aleg legumele proaspete și tari, fără urme de mucegai, putreziciune sau lovite. Se spală și se șterg atent. Se pot pune cu ușurință la uscat dovleceii, vinetele, dovlecii ce vor fi tăiați în felii de căte 1 cm sau ardeii care, fiind subțiri pot fi uscați tăindu-i pe jumătate sau în fâșii pe lungime. Roșiile vor fi tăiate pe jumătate. Deshidratarea lor nu va opri acțiunea enzimatică ce produce măturarea și descompunerea, doar le încetinește. Unele dintre alimente rezistă bine în  timp, chiar câteva luni de zile, dar altele își alterează imediat culoarea, gustul, consistența și substanțele nutritive, proces ce continuă să degradeze alimentul. [15]

Transformări calitative suferite de produsele alimentare prin uscare:

transformări de structură; majoritatea metodelor de uscare, cu excepția uscării prin liofilizare, produc zbârcirea și reducerea volumului datorită scăderii conținutului de apă și contracției tisulare.

transformări de culoare; degradarea culorii este în funcție de temperatura și de timpul de uscare, de prezența metalelor grele și conținutul de zahăr reducător, dar și rezultatul proceselor oxidative.

transformări de aromă și gust; în cazul uscării produselor cu aer cald are loc o antrenare cu vapori a aromelor specifice, din care cauza se înregistrează pierderi importante de arome.

reducerea valorii alimentare; în timpul procesului de uscare, în funcție de regimul aplicat, au loc transformări sensibile în compoziția chimică, ceea ce influențează valoarea alimentară.

Uscarea legumelor și fructelor este procesul tehnologic prin care se reduce conținutul natural de apă până la un nivel care să împiedice activitatea microorganismelor, fără a se distruge țesuturile sau a se deprecia valoarea alimentară a produselor.

Ansamblul de fenomene ce se produc în timpul uscării duce la concentrarea substanței uscate, reducerea volumului materiei prime folosite, creșterea valorii alimentare la unitatea de greutate și modificări fizico-chimice mai mult sau mai puțin profunde în starea membranelor și componentelor celulare, care se exteriorizează prin limitele capacității de rehidratare. [6], [7], [10]

Fig. I.2. Amestec de fructe și legume uscate [17]

I.3. Importanța conservării prin uscare a legumelor și fructelor

Fructele și legumele uscate au fost frecvent folosite în dieta traditională românească de odinioară. Condițiile climatice specifice ale zonei în care este amplasată România, cu 4 anotimpuri, cu o singură recoltă agricolă pe an, a determinat că din vremuri străvechi oamenii să se preocupe de conservarea fructelor și legumelor pentru a-și asigura hrana în perioada dintre două recolte, mai ales pe perioada rece. Dintre fructe se uscau merele, perele, prunele, caisele și strugurii. Acestea aveau utilizări alimentare dintre cele mai diverse și atractive. Dintre legume se uscau mai ales cele care nu se puteau păstra, dar care erau des folosite în alimentație, ca de exemplu: păstăile de fasole verde, ardeiul (gras, iute, kapia, gogosarul), mărarul, cimbrul de gradină, ciupercile (mai ales hribii de padure).

Uscarea fructelor și legumelor în România are o istorie tot atât de amplă ca și cultivarea pomilor fructiferi și a legumelor. Este de la sine înțeles că omul și-a pus de timpuriu problema conservării pentru perioadele reci a produselor recoltate vara și toamna. Treptat, au fost inventate metodele cele mai eficiente de a usca o parte din recoltele de fructe și legume, folosind procedee rudimentare la început și mai perfectionate ulterior, cum ar fi: uscarea pe grătare, uscarea pe grătare acoperite, uscarea între gratare verticale, uscarea pe gratare etajate uscarea pe acoperisuri – platforme amenajate, uscarea pe platforme special construite, prevazute cu prelate, uscarea în șiruri, uscarea în plase textile. [8]

Importanța în alimentație a consumului de fructe și legume uscate

Fructele uscate (fig. I.3) numite popular „poame uscate” sunt considerate „adevărate minuni” pentru sănătate. Preparate vara sau toamna fructele uscate sau deshidratate, bogate în vitamine, fibre, microelemente se consumă de preferintă iarna si primăvara, reprezentând o soluție corectă pentru alimentația echilibrată în sezonul rece. Totuși, fructele uscate trebuie consumate cu moderație din cauza conținutului ridicat de zahăr și de calorii.

Fig. I.3. – Caise, prune și mere uscate [8]

În cazul mărului, acesta este considerat în medicina populară românească, un aliment- medicament și un punct de referință în alimentația dietetică. Experiența populară atribuie mărului un efect tonic, răcoritor, antiseptic, laxativ, depurativ intestinal și sanguin [8].

În România merele proaspete prezintă o varietate mare de arome și culori și sunt disponibile pe tot parcursul anului. Pentru a beneficia însă de toata puterea sa terapeutică, marul trebuie consumat în întregime, cu coajă, cotor si sâmburi. Cea mai importanta substanta activa continută în măr este „pectina”. Datorita pectinei merele pot combate: tulburările intestinale, gastrita sau colita; diverse erupții ale pielii; acnea.

Merele contribuie la cicatrizarea rănilor deoarece redau elasticitatea țesuturilor. Dieta tradițională recomandă merele pentru scăderea colesterolului, în cazul stărilor febrile, în astenii, surmenaj, reumatism, insomnii, nervozitate, cefalee etc.

Morcovii uscați reprezintă o gustare sanatoasă și foarte indicată chiar și în cazul pesoanelor care urmează a anumită dietă, datorită consumului redus de calorii Întrucât morcovii proaspeți impun condiții mai deosebite de depozitare pe termen lung, morcovii uscați pot fi o alternativă la fel de bună, deoarece conținutul nutritiv nu se modifică foarte mult pe perioada uscări, se reduce spațiul necesar depozitării, și mai ales perioada de păstrare se prelungește semnificativ. Morcovii uscați reprezintă o importantă sursă de vitamina A. Consumul a 3…4 bucăți de morcov uscat asigură 210% din necesarul zilnic al acestei vitamine, în cazul unei diete de 2000 calorii.

Vitamina A conținută de morcov contribuie la îmbunatățirea acuității vizuale și previne îmbătrânirea prematură a pielii. Pe lângă vitamina A, morcovul uscat mai conține și o sursă importantă de vitamina C, care este benefică pielii, oaselor și dinților, dar mai ales are rol antioxidant, extrem de important în dezvoltarea sistemului imunitar al organismului. [8]

Pricipalele avantaje ale legumelor și fructelor conservate prin uscare

Uscarea fructelor și legumelor este soluția cea mai sănătoasă pentru păstrarea pe timp îndelungat. Un alt avantaj al fructelor și legumelor deshidratate este ca au o valabilitate mult mai mare decât cele congelate sau conservate. De fapt, deshidratate și păstrate în condiții optime, fructele și legumele pot fi consumate chiar și dupa câțiva ani. Un aspect economic important al legumelor și fructelor deshidratate este acela că depozitarea lor nu ridică probleme foarte mari, deoarece volumul acestora se reduce simțitor după încheierea procesului de uscare.

De exemplu, două kilograme de fructe crude vor avea după deshidratare doar un sfert din volumul inițial. Se pot deshidrata aproape toate fructele și legumele. Excepție o fac cele cu conținut bogat de grăsimi vegetale, pentru ca pot deveni sleioase. Strugurii, prunele, merele, perele, piersicile, caisele, ananasul, bananele, roșiile, morcovii și verdețurile sunt cele mai potrivite pentru aceasta operațiune. [8]

Deshidratarea se poate face și prin simpla lăsare a legumelor și fructelor la soare, așa cum se facea cu sute de ani în urmă, însă instalația de deshidratare este cea mai buna soluție. În zona Moldovei, se folosește lojnița pentru deshidratarea merelor, perelor și prunelor, adeseori apelânduse și la fumul rece. În acest caz, procedeul se numește afumare (prunele, merele și perele fiind preferate).Se folosesc soiurile care nu sunt foarte dulci, pentru că există riscul ca sucul rezultat după deshidratare să curgă.

Fructele și legumele uscate pot fi consumate ca atare, însă ca ingrediente ale unor prăjituri, fripturi sau alte preparate pot contribui la conferirea unor arome mult mai puternice. De asemenea, se pot transforma în pudră și apoi se adaugă la sosuri sau supe. O altă întrebuințare poate fi adăugarea fructelor uscate în iaurturi, atât pentru aspect, dar mai ales pentru gust. [8]

CAPITOLUL 1

TIPURI DE USCARE, DESHIDRATARE A PRODUSELOR VEGETALE

Uscarea este operația prin care apa din materialele solide sau lichide este îndepărtată cu ajutorul aerului, care are rolul dublu de a aduce căldura necesară vaporizării apei și de a evacua vaporii de apă rezultați prin încălzire.

Pentru uscare, materia primă se poate prezenta în cele mai variate forme: soluții, paste, granule, pulbere, plăci, bulgări, pânze, etc.; de obicei cu conținut mic de apă; când materia primă conține multă apă, este rațional să se elimine cât mai multă apă prin procedee fizice. Produsul rezultat de la uscare este practic anhidru sau conține puține procente de umiditate. [10]

Deshidratarea se realizează prin evaporarea apei care ajunge treptat la suprafața produsului supus deshidratării până la valoarea aw < 0,7 care să împiedice dezvoltarea microorganismelor. În funcție de natura aportului de căldură, uscarea poate fi:

prin convecție – de la agent la produs;

prin conducție –prin produs;

prin radiație – de la surse exterioare;

încălzire în dielectric (uscare cu curenți de înaltă frecvență, microunde).

După modul în care se execută îndepărtarea vaporilor se deosebesc:

● uscare în aer;

● uscare în vid;

● uscare prin convecție la presiune atmosferică (cea mai utilizată în practica industrială) – se poate realiza în următoarele variante :

– uscare clasică – în camere, tunele, cu benzi;

– uscare în strat vibrator – variantă a uscării prin fluidizare ( produse bucăți sau granule):

– uscare în strat fluidizat – legume feliate, cereale, sare, făină, zahăr, carne cuburi.

● uscare în strat de spumă – materialul lichid adus în strat de piure ( prin concentrare sub vid prealabilă) este amestecat cu o substanță emulgatoare și transformat într-o spumă prin insuflare de gaz inert sub presiune (azot).

Această spumă se aplică pe o suprafață netedă (bandă) și este uscată cu aer cald. Spuma uscată sub formă de foaie spongioasă este măcinată și transformată în pulbere fină.

Se aplică la sucuri și piureuri de fructe și legume, infuzie de cafea, ceai, extractele de carne, ouă, brânzeturi. Are următoarele variante : uscare în fileu subțire de spumă, în strat (străpuns de spumă);

● uscare prin dispersie – a produselor lichide, piureuri, paste – nu se aplică produselor solide. Se realizează la temperatură ambiantă într-o incintă de deshidratare cu ajutorul unui curent de gaz uscat (N2) în circuit închis. Se

păstrează în întregime principiile nutritive și proprietățile senzoriale ale produsului inițial;

● uscare prin pulverizare, cu variantele :

– uscare prin pulverizare cu spumă;

– uscare prin pulverizare în aer la temperatură ambiantă (procedeul Birs) – aplicată produselor lichide și semilichide;

● uscarea prin conducție la presiune atmosferică – se realizează prin contactul produsului cu o suprafață fierbinte, având astfel loc evaporarea apei. Produsul se îndepărtează de pe suprafață prin radere cu un cuțit. Uscătoarele folosite sunt de tip tambure rotative, iar produsele care se pot usca sunt într-o stare lichidă concentrată și cu structură granulară. [7]

Dezavantajele sunt majore, cu influență negativă asupra produsului uscat: solubilitate scăzută (proteine denaturate), culoare modificată (reacția Maillard, caramelizare), valoare alimentară redusă, iar produsele necesită o măcinare ulterioară;

● uscare sub presiune – se realizează în strat de spumă și în strat subțire (peliculă) și are următoarele avantaje: calități senzoriale și nutriționale superioare ale produselor datorită temperaturii mai scăzute de uscare și a lipsei oxigenului. [7], [9]

Alte procedee particulare de uscare sunt: uscare cu radiații infraroșii; uscare cu microunde; uscare favorizată de ultrasunete; uscare azeotropă; uscare parțial osmotică.

Procedeele de conservare combinate cu uscarea, mai des utilizate în industrie, sunt : uscare combinată cu blanșare – la fructe; uscare combinată cu blanșare și expandare – cartofi, morcovi, rădăcinoase felii; uscare combinată cu încălzire – expandare; uscare combinată cu expandare prin extrudare termoplastică; dehidrocongelarea –scăderea umidității până la 50% la congelare; criodeshidratarea – liofilizare.

Deshiratarea sau uscarea este un procedeu bazat pe reducerea continutului de apa, respectiv cresterea concentratiei substantelor solubile pana la valori care sa atinga stabilitatea produsele alimentare la pastrare. Eliminarea apei din alimente trebuie dirijata in asa fel incat coloizii hidrofili sa-si mentina capacitatea de rehidratare.

Conditiile principale ale deshidratarii sunt: un nivel de temperature care sa asigure evaporarea apei; o suprafata de contact cu aerul maxim posibila; circulatia aerului pentru eliminarea vaporilor de apa rezultati.

Principalele metode de deshidratare sunt: uscarea naturala, deshidratarea dirijata in instalatii speciale la presiune normala, deshidratarea in pat fluidizat, concentrarea in vid, liofilizarea (criodesicarea sau criosublimarea).

Cele mai moderne procedee sunt deshidratarea in pat fluidizat si liofilizarea, ultimul asigurand pastrarea capacitatii de rehidratare, impiedicand procesele oxidative si asigurand pierderea intr-o masura mai redusa a substantelor de miros, gust si aroma.

Produsele deshidratate au un volum micsorat, greutate mai mica, valoare energetica sporita, sunt usor de preparat, realizeaza economii la pastrare si depozitare, sunt usor de manipulat si transportat, dar pierd o parte din substantele aromatice si se distrug partial unele vitamine. Produsele alimentare in prealabil fluidizate sunt deshidratate prin doua metode: peliculara si prin pulverizare sau atomizer sub forma de pulberi (oua praf, lapte praf etc,).[9]

Ansamblul de fenomene ce se produc în timpul uscării duce la concentrarea substanței uscate, reducerea volumului materiei prime folosite, creșterea valorii alimentare la unitatea de greutate și modificări fizico-chimice mai mult sau mai puțin profunde în starea membranelor și componentelor celulare, care se exteriorizează prin limitele capacității de rehidratare.

— Deshidratarea reprezintă procesul în virtutea căruia fructele și legumele pierd o anumită cantitate de apă, în urma cărui fapt se realizează o stare fizico-chimică propice menținerii valorii lor nutritive și atributelor calitative: gust, miros, aromă.

— Uscarea se deosebește de deshidratare prin lipsa de reglare a temperaturii, umidității relative și mișcării aerului, în care scop se folosește și expresia de uscare naturală, spre deosebire de deshidratare, care este o uscare artificială.

Diferența dintre. uscarea naturală și cea artificială constă în natura energiei termice folosite și anume energie solară (uscare naturală) și energia rezultată din arderea unui combustibil oarecare (uscare artificială sau deshidratare) și viteza cu care se îndepărtează excesul de apă din materia primă respectivă.

In primul caz prin simpla expunere la aer și la temperatura mediului ambiant are loc îndepărtarea umidității din produse prin procesul de evaporare, în cazul al doilea, pentru a continua procesul deshidratării se apelează la un aport suplimentar de căldură, înlăturarea apei făcându-se prin procesul de vaporizare.

— Evaporarea, trecerea apei în stare de vapori într-un mediu în care în afara vaporilor de apă există și aer și alte gaze.

— Vaporizarea, trecerea apei în stare de vapori, într-un mediu în care există numai vapori de apă.

— Evaporator, este instalația de uscat fructe și legume în care mișcarea aerului se face de la sine, pe baza diferenței termice existente între atmosfera din evaporator și atmosfera externă.

— Deshidrator este o instalație de uscat fructe și legume folosită pentru îndepărtarea excesului de apă din materia primă supusă deshidratării, în care cel puțin circulația aerului încălzit, viteza de mișcare, temperatura și umiditatea relativă a aerului sînt controlate automatizat, potrivit unor parametri fixați în prealabil pentru respectiva materie primă supusă procesului. [4], [9]

Pentru evaporarea apei din produsele supuse deshidratării, se utilizează diferite tehnici care constau dintr-o succesiune de operații tehnologice și se folosesc aparate și instalații mai mult sau mai puțin perfecționate cu un consum de energie mai mare sau mai redus și care, pe cît posibil, permit reducerea pierderilor de căldură.

Evaporarea apei din legume și fructe este un proces complex în care sînt implicate, pe de-o parte, structura anatomică a produselor, iar pe de altă parte unele legi fizico-chimice de constituire a substanțelor celulare ca și permeabilitatea membranelor celulare.

— randamentul reprezintă cantitatea de produs finit obținut din cantitatea de materie primă și se exprimă în procente.

— rația, de uscare sau deshidratare reprezintă cantitatea de materie primă necesară pentru obținerea a l kg de produs finit;

Fig. 1.1. Amestec de fructe și legume uscate [18]

Proprietăți fizico-chimice și organoleptice ale merelor deshidratate

Valoarea calitativă a fructelor este definită prin proprietățile fizice și chimice: mărime, căldură specifică, temperatură de îngheț, culoare, aromă, gust, conținut în substanță uscată, în zahăr, în protide, vitamine, etc.

Mărimea este dată de greutate, dimensiuni sau volumul fructelor. Greutatea se exprimă în g și variază în limite largi, în funcție de specie, de soi, de condițiile de climă, de sol, de cultură, etc.

Mărimea determină numărul de fructe la kilogram. Dimensiunile fructelor (diametru, înălțime) sunt folosite pentru a stabili calibrul lor. În funcție de mărime, fructele sunt, în general, grupate în mari, mijlocii și mici, noțiuni caracteristice unei specii sau chiar soi. În acest mod, se consideră ca fiind mici merele cu greutate sub 75 g.

Căldura specifică este reprezentată de cantitatea de căldură sau frig necesare pentru ca temperatura masei fructului să crească sau să se reducă cu 1°C.

Temperatura de îngheț exprimă temperatura limită la care apa liberă din fructe trece în stare solidă. Valoarea acestei temperaturi este mai joasă când conținutul în substanță uscată solubilă a fructului este mai ridicat. În funcție de specie și soi, temperatura de îngheț a fructelor variază în limitele: -1,7°C până la -4°C.

Fermitatea structurii și texturii exprimă rezistența pulpei fructelor la presiunea exterioară și scade pe măsura coacerii lor. Astfel, în perioada de pârgă, valoarea texturii, determinată cu penetrometrul cu diametrul de 11 mm, este de 12 – 13 kgf, scade la 8 -9 kgf în perioada recoltării și ajunge la 6 – 7 kgf în momentul valorificării lor după depozitare.

Culoarea, aroma și gustul au importanță în stabilirea valorii comerciale a fructelor. Culoarea de fond este verde în primele faze de creștere și maturare și devine în mod frecvent galbenă în faza următoare. Culoarea complementară este datorată pigmenților antocianici și imprimă fructelor diferite nuanțe de roșu. Gustul este determinat de conținutul fructelor în zahăr, în acizi organici, în polifenoli, etc. Raportul acestor componenți contribuie la determinarea gustului. Aroma este rezultatul senzațiilor produse asupra organelor olfactive de unele substanțe volatile care se dezvoltă în diferite faze ale creșterii și maturării fructelor. În faza maturității depline, aromele sunt specifice soiului. Din punct de vedere chimic, fructele conțin apă și substanță uscată (substanțe organice și substanțe minerale). Proporția între diferitele grupe de substanțe chimice are importanță în definirea valorii calitative a fructelor, care variază de la un soi la altul.

Apa în fructe se află în stare liberă sau legată și conținutul total variază în limite largi. Astfel, în cazul căpșunilor, conținutul de apă poate ajunge la 84 – 92%, iar pentru alte fructe este mult mai redus, ajungând la 77 – 87% (mere, pere, struguri). La grupa de fructe „uscate”, cum sunt nucile, alunele, valoarea conținutului de apă ajunge la 5%. [3]

CAPITOLUL 2

FACTORII CARE INFLUENȚEAZĂ OPERAȚIA DE USCARE, METODELE DE USCARE ȘI CLASIFICAREA INSTALAȚIILOR DE USCARE – DESHIDRATARE

Aceștia se clasifică în:

Factori referitori la materialul supus uscării: cantitatea sau debitul; forma de prezentare; umiditatea inițială; forma de legare a umidității; densitatea în vrac; sensibilitatea termică și la oxigen; agresivitatea chimică; friablitatea și abrazivitatea; toxicitatea; imflamabilitate.

2. Factori referitori la agentul de uscare : natura agentului; modul de obținere; temperatura și presiunea; umezeala relativă; debitul; conținutul de impurități.

3. Factori referitori la materialul uscat : temperatura maximă admisă; durata uscării; regimul de funcționare; producerea de praf și recuperarea acestuia; evacuarea agentului de uscare sau recircularea acestuia; tipul uscătorului. [1]

Metodele de realizare a uscării și factorii ce le pot influența

După modul de transmitere a căldurii pentru eliminarea umidității

Uscare convectivă – transmiterea căldurii prin convecție de la aer sau alte gaze la materialul supus uscării;

Uscare conductivă – transmiterea căldurii prin conducție, prin intermediul unei suprafețe de transfer termic;

Uscare dielectrică – încălzirea dielectrică a materialului în câmp de CIF (curenți de înaltă frecvență);

Uscare radiantă – transmiterea căldurii prin radiație;

Metode combinate

Uscare convectiv-radiantă

Uscare conductiv-radiantă

Uscare convectiv-dielectrică

După presiunea de uscare

Uscare la presiune atmosferică sau la valori apropiate – întâlnită la uscarea convectivă, conductivă, radiantă, precum și la majoritatea metodelor combinate;

Uscare sub depresiune – recomandată pentru produsele termosensibile; cuprinde uscarea prin sublimare și uscare moleculară.

După tehnica de uscare utilizată

Uscare convectivă: convențională; uscare în pat fluidizat; uscare pneumatică; uscare prin pulverizare; uscare cu pompă de căldură.

Uscare conductivă și radiant-conductivă: uscare conductive; uscare conductivă sub depresiune.

3. Uscare prin procedee speciale: uscare în câmp de CIF; uscare în câmp sonor. [3]

Uscarea poate fi:

prin convecție – de la agent la produs;

prin conducție – prin produs;

prin radiație – de la surse exterioare;

încălzire în dielectric (uscare cu curenți de înaltă frecvență, microunde).

După modul în care se execută îndepărtarea vaporilor se deosebesc:

● uscare în aer;

● uscare în vid;

● uscare prin convecție la presiune atmosferică (cea mai utilizată în practica

industrială) – se poate realiza în următoarele variante:

uscare clasică – în camere, tunele, cu benzi;

uscare în strat vibrator – variantă a uscării prin fluidizare (produse bucăți sau granule);

uscare în strat fluidizat – legume feliate, cereale, sare, făină, zahăr, carne.

● uscare în strat de spumă – materialul lichid adus în strat de piure (prin concentrare sub vid prealabilă) este amestecat cu o substanță emulgatoare și transformat într-o spumă prin insuflare de gaz inert sub presiune (azot).

Această spumă se aplică pe o suprafață netedă (bandă) și este uscată cu aer cald. Spuma uscată sub formă de foaie spongioasă este măcinată și transformată în pulbere fină. Se aplică la sucuri și piureuri de fructe și legume, infuzie de cafea, ceai, extractele de carne, ouă, brânzeturi. Are următoarele variante: uscare în fileu subțire de spumă, în strat (străpuns de spumă);

● uscare prin dispersie – a produselor lichide, piureuri, paste – nu se aplică produselor solide. Se realizează la temperatură ambiantă într-o incintă de deshidratare cu ajutorul unui curent de gaz uscat (N2) în circuit închis. Se păstrează în întregime principiile nutritive și proprietățile senzoriale ale produsului inițial;

● uscare prin pulverizare, cu variantele :

uscare prin pulverizare cu spumă;

uscare prin pulverizare în aer la temperatură ambiantă (procedeul Birs) – aplicată produselor lichide și semilichide;

● uscarea prin conducție la presiune atmosferică – se realizează prin contactul produsului cu o suprafață fierbinte, având astfel loc evaporarea apei. Produsul se îndepărtează de pe suprafață prin radere cu un cuțit. Uscătoarele folosite sunt de tip tambure rotative, iar produsele care se pot usca sunt într-o stare lichidă concentrată și cu structură granulară.

Dezavantajele sunt majore, cu influență negativă asupra produsului uscat: solubilitate scăzută (proteine denaturate), culoare modificată (reacția Maillard, caramelizare), valoare alimentară redusă, iar produsele necesită o măcinare ulterioară;

● uscare sub presiune – se realizează în strat de spumă și în strat subțire (peliculă) și are următoarele avantaje: calități senzoriale și nutriționale superioare ale produselor datorită temperaturii mai scăzute de uscare și a lipsei oxigenului.

Alte procedee particulare de uscare sunt: uscare cu radiații infraroșii; uscare cu microunde; uscare favorizată de ultrasunete; uscare azeotropă; uscare parțial osmotică.

Procedeele de conservare combinate cu uscarea, mai des utilizate în industrie, sunt: uscare combinată cu blanșare – la fructe; uscare combinată cu blanșare și expandare – cartofi, morcovi, rădăcinoase felii; uscare combinată cu încălzire – expandare; uscare combinată cu expandare prin extrudare termoplastică; dehidrocongelarea –scăderea umidității până la 50% la congelare; criodeshidratarea – liofilizare.

Din punct de vedere constructiv cele mai uzuale uscătoare sunt: tip camera; tip tunel; camera; tambur; banda; coloana; pneumatice; pulverizare; fluidizare. [3],[4]

Dependența dintre procesul de conservare și activitatea apei

Conținutul de apă, dar mai ales starea ei, condiționează activitatea enzimelor și a microorganismelor. Legătura dintre apa din produsele alimentare și activitatea enzimelor, a microorganismelor, este evidențiată prin intermediul activității apei.

Activitatea apei este definită prin raportul dintre elasticitatea vaporilor de apă de la suprafața produsului și elasticitatea vaporilor de apa pură la saturație la aceeași temperatură. Se consideră că activitatea apei reprezintă apa la dispoziția microorganismelor.

Activitatea apei (aw) da indicații asupra cantității de apa liberă care determină presiunea de vapori de apă deasupra produsului:

aw = p / po = Nw / Nw + Ns (2.1)

unde:

p – presiunea vaporilor de apă din produs la temperatura T;

po – presiunea vaporilor de apă din atmosferă la temperatură;

To – temperatura de echilibru a sistemului;

Nw – numărul de moli de apă;

Ns – numărul de moli de substanță.

Din partea a doua a formulei se observa că activitatea apei poate fi calculată prin numărul de moli de apă (Nw) raportați la suma molilor de apă și a molilor de substanță (Ns).

Conținutul de apă al materialului și umiditatea relativă a aerului înconjurător dau activitatea apei care este direct legată de umiditatea relativă de echilibru (Ure):

aw =Ure / 100 (2.2)

Valorile numerice ale activității apei variază între 0 (la produse complet anhidre) și 1 (la apa pură), toate produsele alimentare încadrându-se în acest interval. De exemplu valoarea activității apei pentru zahăr, cereale este de 0,1; pentru fructe uscate este 0,72 – 0,8; pentru pâine, brânză este de 0,96, iar pentru ouă, carne, sucuri, legume, fructe proaspete este de 0,97.

Noțiunile de activitate a apei și de umiditate relativă de echilibru prezintă o importanță deosebită pentru stabilitatea și calitatea produselor alimentare. [7], [10]

Astfel:

1. – valorile activității apei dau indicații asupra dezvoltării microorganismelor.

Fiecare microorganism are cerințe diferite față de conținutul de apă al mediului în care trăiește. În general dezvoltarea microbiană se costată în intervalul de activitate a apei de 0,620 – 0,995. La 0,60 – 0,65 se dezvoltă drojdiile osmofile, între 0,65 – 0,75 mucegaiurile xerofile, între 0,75 – 0,85 bacteriile halofile, iar între 0,91 – 1,00 toate celelalte bacterii.

Bacteriile reprezintă microorganismele cu cele mai mari cerințe de apă în mediul în care trăiesc și se dezvoltă, fiind urmate de mucegaiuri.

2. – viteza reacțiilor enzimatice în produsele alimentare depinde de activitatea apei: la activități mari ale apei reacțiile enzimatice se declanșează și au loc cu viteze mari, în timp ce la activități mici ale apei reacțiile enzimatice sunt mult încetinite sau inexistente.

3. – la o activitate a apei de 0,6 – 0,7 apare înbrumarea produselor datorate reacțiilor melanoidice.

4. – la valori medii exercită un efect de protecție a lipidelor față de oxidare, efectul maxim fiind la aw = 0,5. Din contră, deshidratarea foarte înaintată a țesuturilor vegetale și animale până la aw = 0,1 însă, stimulează foarte puternic fenomenele oxidative.

5. – activitatea apei influențează unele procese hidrolitice neenzimatice ca: transformarea clorofilei în feofitina, hidroliza protopectinei și demetilarea pectinei.

Umiditatea reprezintă un factor cu implicații profunde asupra calității produselor alimentare determinând un număr mare de reacții care în multe cazuri se interferează reciproc. Astfel autooxidarea și îmbrunarea pot avea loc simultan în majoritatea alimentelor. Pentru fiecare produs există un conținut optim de umiditate la care viteza de oxidare și cea de îmbrunare sunt minime, asigurând o păstrare maximă a calității (de exemplu pentru laptele praf 3,3%, pentru fulgii de cartofi 6-7%).[10]

Dacă apa liberă, intercelulară, se evaporă relativ ușor din țesuturile produselor horticole, dimpotrivă, apa legată, intracelulară, apa vacuolară, care este parte componentă a substanțelor celulare, este cedată de acestea cu mare dificultate, deci se evaporă foarte greu. Pentru evaporarea ei trebuie învinse mai intri legile fizico-chimice specifice care asigură compoziția și stabilitatea compușilor celulari, apoi trebuie asigurată migrarea apei prin pereții celulelor (membrane), care au o permeabilitate relativ redusă. Tehnologiile au găsit remediile necesare pentru a învinge aceste obstacole la evaporare, dar realizarea lor se face cu consum de energie.

În ceea ce privește particularitățile comportării legumelor și fructelor la uscare trebuie, în primul rând, să se aibă în vedere caracteristicile specifice gustative, deci ale părții lor comestibile.

Timpul de uscare depinde foarte mult de temperatura, umezeala și schimbul de aer. Schimbul de aer este foarte important în cazul produselor hidrodiluabile. Într-o încăpere unde temperatura este ridicată, dar aerul nu circulă uscarea se va face într-un timp foarte lung.

Uscarea forțată se face în camere de uscare denumite uscătoare sau tunele de uscare. Uscarea în camere de uscare diferă de uscarea convențională prin temperatura mai mare și schimb mai intens de aer. Creșterea temperaturii accelereză evaporarea solventului și reacția chimică, rezultând o scădere importantă a timpului de uscare. O creștere a temperaturii cu 10oC poate reduce timpul de uscare cu 50%. Temperatura optimă în tunelele de uscare este de 50oC, deoarece procesul de uscare este foarte intensificat la aceasta temperatura.

Intrarea în uscătoare nu se face imediat după aplicarea produselor de finisare. Este nevoie de un timp de așezare a peliculei, numit timp de dezaerare – aerul iese din peliculă, iar tensiunea superficială a lacului face ca acesta să se întindă și să dea aspectul plăcut al peliculei.

După ieșirea din tunel, produsele au nevoie de un timp de aclimatizare înainte de a trece la faza următoare a tehnologiei. Dacă se trece la montaj, ambalare sau alte prelucrări mecanice, pelicula fiind încă caldă, pot apărea defecte.[3], [10]

CAPITOLUL 3

SCHEMĂ TEHNOLOGICĂ GENERALĂ DE USCARE – DESHIDRATARE

Schema fazelor tehnologice de fabricare a fructelor si legumelor uscate [2]

Recepția cantitativă și calitativă.

Depozitarea temporară.

Alimentarea liniei de prelucrare.

Calibrarea (îndepărtarea bulbilor sub 40 mm).

Îndepartarea discului radicular și a tulpinilor false.

Curățirea.

Controlul și curățirea suplimentară

Spălarea bulbilor curățați.

Tăierea în felii de diferite dimensiuni.

Spălarea cu dușuri a feliilor

Încărcarea grătarelor, eliminarea bucăților mari și stivuirea pe cărucioare.

Uscarea

Scoaterea cărucioarelor cu produs finit.

Sortarea.

Eliminarea eventualelor impurități metalice.

Cernerea

Controlul suplimentar.

Ambalarea.

Etichetarea.

Depozitarea.

Livrarea.

Pentru dezvoltarea microorganismelor este necesar ca în mediu să se găsească o cantitate minimă de apă; pentru bacterii necesarul este de 35%, drojdii 25%, iar pentru mucegaiuri 10%. Starea de echilibru a unui produs este caracterizată prin faptul că umiditatea sa este în echilibru cu cea a aerului, stare numită umiditate de echilibru notată cu:

(3.1) ; (3.2)

În cazul în care în apa se găsește dizolvată o cantitate mare de substanțe solubile, un număr mare de molecule de apă se leagă prin procese fizico-chimice, cantitatea de apă disponibilă este mai mică și deci aciditatea apei va avea o valoare mai mică.

Cu cât activitatea apei este mai mică cu atât conservabilitatea produsului este mai mare. În general intervalul de activitate a apei an care se constată dezvoltarea microorganismelor este cuprins între 0,62-1.

În cadrul fiecărei grupe există specii de microrganisme, numite xerofite, care rezistă la activități mici ale apei, respectiv la umiditate redusă. Prin reducerea umidității pana la 10% pentru legume și 18-24% pentru fructe, se poate asigura conservabilitatea produselor respective un timp îndelungat fără a fi atacate de microorganisme. Explicația constă în reducerea activității apei sub 0,7% la produsele uscate. Fructele fiind mai bogate în zahar pot fi uscate la o valoare mai mare a umidității față de legume deoarece, zăharul are un efect de reducere a activității apei.

Prin uscarea legumelor și fructelor microorganismele sunt inactivate fără a fi distruse, ele putând rezista în stare latentă un timp îndelungat. Enzimele sunt parțial inactivate, dar în timpul depozitării pot fi reactivate provocând modificari ale produselor uscate. O masură eficace și sigură de inactivare a enzimelor este oparirea legumelor proaspete la 90-95oC sau sulfitarea fructelor destinate uscării.

Factorii care influențează uscarea fructelor și legumelor:

temperatura centrului de uscare

umiditatea relativă a aerului

viteza aerului

dimensiunile produsului (produsele fiind marunțite au o suprafața mare de evaporare și uscare și ca urmare se usucă mai rapid)

natura produsului (strugurii se usucă in 24h; merele, cartofii – câteva ore)

Exemplu:

1. Cartofii trebuie curațați de coajă, se taie în cuburi sau felii, se opăresc 36 minute la 95oC, se pulverizează cu soluție de bisulfit de sodiu 0,2-1%. Uscarea se face la 70-85oC. Produsul finit trebuie să aibă o umiditate de 7%. Randamentul este de 12-16%.

2. Merele se curăță de coajă, se taie în rondele sau felii, se inersează în soluție de bisulfit de sodiu sau se sulfatează. Se usucă la 55-57oC. După uscare se resulfatează. Umiditatea produsului finit trebuie să fie max 24%, iar randamentul 10-12%.

În timpul procesului de uscare, aerul din instalație trebuie să fie în continuă circulație și să fie încălzit, pentru a-i crește capacitatea de a prelua cantități noi de vapori de apă.

În instalațiile de uscare, evaporarea apei are loc atât pe baza diferenței de temperatură dintre cea a produsului supus uscării și cea a aerului încălzit, cît mai ales prin diferența dintre presiunea vaporilor din interiorul țesuturilor și cea a vaporilor cuprinși de aerul din instalație. Evaporarea este influențată și de tensiunea (forța) superficială a vaporilor de apă din produs.

Evaporarea se desfasoară până când se realizează un echilibru între presiunea vaporilor din cele doua medii, cu alte cuvinte până când aerul cald din instalație a fost săturat cu vapori de apă. Cantitatea de vapori de care poate fi absorbită de aer este în strânsă dependența de temperatura aerului din instalație, deoarece cu cât aerul este mai cald, cu atât el poate absorbi o cantitate mai mare de vapori.

Cand s-a stabilit echilibrul între umiditatea produsului și saturația aerului cu vapori de apă în instalație, iar produsul nu este încă gata uscat, procesul de uscare va putea continua numai prin crearea unui nou dezechilibru între umiditatea celor două medii. Acest dezechilibru se poate realiza prin una din următoarele măsuri tehnologice:

— fie prin ridicarea temperaturii aerului din instalație — dacă aceasta operație este posibilă din punct de vedere tehnologic;

— fie ventilând aerul din instalație, făcându-1 să piardă o anume cantitate de vapori de apă cu care este încărcat.

Asupra caracteristicilor structuro-texturale și fizico-chimice pierderea apei din țesuturile legumelor și fructelor are o influență profundă.

Țesuturile vegetale în stare vie au proprietatea de turgescență; fiecare celulă este menținută destinsă, datorita conținutului ei în lichid și are o structură destul de fermă.

Pereții celulelor sunt sub tensiune, iar conținutul lor sub compresie. Pereții celulelor au rezistența și elasticitate, dar dacă solicitarea elastică crește peste o oarecare valoare, moderată, structura cedeaza parțial și ireversibil. Aceste deformații plastice au loc indiferent de metoda folosită pentru uscarea celulelor vegetale sau animale în afară de liofilizare, unde dimensiunile originale sunt menținute.

Dacă celulele sunt omorâte prin opărire, pereții celulari devin mai usor permeabil, turgescentă poate dispărea, iar deformarea permanentă prin uscare poate deveni chiar mai mare. Aceste procese se desfașoară în trei faze:

— Faza de încălzire a materiei prime supusă uscării, în cursul acestei faze, practic nu are loc fenomenul de evaporare a apei din produs, ci se urmarește depășirea stării de echilibru dintre umiditatea relativă a aerului din instalația de uscare și umiditatea produsului de uscat, încălzind aerul din instalație se creează capacitatea acestuia de a absorbi o cantitate mai mare de vapori, iar prin încălzirea produsului scade tensiunea superficială a vaporilor de la suprafața lui. [2], [12]

În această fază, pe măsura evaporării apei de pe suprafețele umede ale produselor, diametrul porilor superficiali și a capilarelor pline cu apă se micșorează, elementele structurale solide se strâng sub influența tensiunii superficiale și efectul se adâncește în straturile de țesuturi, spre centrul bucăților de produse supuse uscării; volumul contracției este egal cu cel al apei evaporate și viteza uscării pe unitatea de suprafață rămâne constantă.

— Faza de uscare, în care evaporarea apei se produce ca urmare a dezechilibrului creat între umiditățile celor două medii și a scăderii tensiunii superficiale a vaporilor de la suprafața produsului. Evaporarea se va realiza într-un timp cu atât mai scurt, cu cât circuitul aerului pentru eliminarea vaporilor de apă pe care i-a preluat de la produs, se va realiza intr-un ritm, mai rapid și într-un circuit închis fără pierderi de căldură.

În această fază, elementele structurale ale produsului încep să se deformeze prin încrețire așa încât tind să ocupe mai puțin spațiu iar o parte din apă este indepărtată la suprafață, dar la aceasta se opune cresșterea rezistenței la deformare, iar nivelul de apă sunt, de asemenea, indepărtați de la suprafața legumelor și fructelor prin difuzie moleculară în aer prin capilarele deschise.

În continuare, straturile groase de apă care țineau separat lanțurile moleculare lungi și flexibile ale produselor, încep să cedeze moleculele mai slab reținute într-un strat difuzional în direcția țesuturilor cu concentrație scăzută în apă, desigur spre suprafață. Procesul continuă prin subțierea straturilor groase până ce apă rămâne, în medie, în strat gros de o moleculă, adsorbit de suprafețele interne, neuniform, dar de preferință îndreptate spre grupurile de celule cu polaritate mai mare din structura substratului. Elementele structurale continuă să fie ținute mai strâns împreună și se contractă, deși mai puțin decât volumul de apă pierdut.

— Faza finală, se consideră din momentul când produsul începe să cedeze din apă legată, în această fază, procesul de evaporare a apei din produse încetinește simțitor curba de uscare, înregistrând descreșteri. Difuzia umidității din masa produsului se face tot mai dificil; ea depinde de gradul de solubilitate a substanțelor în apa celulară, de structura produsului, de capilaritatea lui, de mărimea bucăților de produs supuse uscării.

În această fază finală, moleculele de apă, adsorbite pe suprafețele interne ale constituienților solizi, sunt îndepărtate printr-un proces de difuzie activă de-a lungul lamelelor sau fibrelor solide, în direcția suprafețelor cu potențial mai scăzut de vapori.

În acest proces, o moleculă de apă, care prin schimb capătă un impuls mai mare decât mediu, în vibrarea ei termică continuă, poate sări din locul ei de absorbție într-un loc vacant, apropiat și în medie, vor fi mai multe locuri vacante în direcția presiunii scăzute de vapori. Procesul va continua însa din ce în ce mai lent, până când este atins echilibrul cu umiditatea aerului înconjurator. [2], [9], [12]

Bilanț de materiale pentru procesul de uscare

Se noteaza cu:

M1 – cantitatea de material umed care intră în uscător, în kg/h;

M2 – cantitatea de material uscat iese din uscător, în kg/h;

Mu – cantitatea de produs complet uscat în materialul umed, în kg/h;

U1 – umiditatea materialului înainte de uscare, în %;

U2 – umiditatea materialului după uscare, în %S

U – cantitatea de umiditatea îndepărtată din material în uscător, în kg/h;

L – cantitatea de aer complet uscat care trece prin uscător, în kg/h;

x0 – conținutul de umiditate al aerului la trecerea prin radiator, în kg/kg aer uscat.

x1 – conținutul de umiditate al aerului la intrarea în uscator, în kg/kg aer uscat;

x2 – conținutul de umiditate al aerului la ieșirea din uscător, în kg/kg aer uscat.

Când nu sunt pierderi de material, cantitatea de substanță uscată rămâne constantă și înainte și după uscare. Se poate exprima în kgf/h, prin relația:

Mu = M1 = M2 (3.3)

de unde rezultă:

M1 = M2 (3.4)

M2 = M1 (3.5)

Umiditatea îndepărtată prin uscare reprezintă diferența dintre greutatea materialului umed și materialului uscat:

U = M1 + M2 (3.6)

Introducand în ultima ecuație G2 valoarea din ecuația anterioară se obține:

U = M1 – M1 (3.7)

sau

U = M1 (3.8)

Înlocuind valoarea G1, valoarea lui din ecuația anterioară se obține:

U = M2 G2 (3.9)

sau

U = M2 kg/h (3.10)

Consumul de aer:

Într-un uscător fără pierderi, cantitatea de aer complet uscat care trece prin uscător, ca și cantitatea de material complet uscat, rămân invariabile.

În cazul unui proces staționar, umiditatea (în kgf/h) va fi:

cu materialul care se uscă…………………U1

cu aerul……………………………………Lx1

total……………. M1 + Lx1

Din uscător se îndepărtează umiditatea (kg/h):

cu materialul uscat………………………………….M2

cu aerul…………………………………….Lx2

total……………… M2 + Lx2

În absența pierderilor, umiditatea totală rămâne constantă și se respectă egalitate:

M1 + Lx1 = M2 + Lx2 (3.11)

Umiditatea îndepărtată din material va fi:

U = M1 – M2 (3.12)

Comparând ecuațiile (1) si (2) rezultă:

U = L (x2- x1)

De unde, consumul total de aer necesar uscării va fi:

L = kg/h (3.13)

Iar consumul specific de aer, l, adică consumul de aer, raportat la 1 kgf umiditate, indepartată din material în uscător, va fi:

l = = kg/kg umiditate (3.14)

Deoarece aerul care străbate bateria de radiatoare nu absoarbe și nu cedează umiditate, conținutul lui de umiditate la încălzirea în radiator rămâne constant și deci: [2], [12]

x1 = x0

de unde

l = kg/kg umiditate. (3.15)

Modificări apărute în structura vegetalelor procesate

După întreruperea ritmului biologic natural, fructele și legumele recoltate continuă să-și mențină sistemul fiziologic și să-și susțină procesele metabolice care erau prezente și înainte de recoltare. Cât timp sunt atașate de plantă, pierderile provocate prin respirație și prin transpirație sunt înlocuite de fluxul de sevă, care conține apă, compuși de fotosinteză și minerale. După recoltare, produsul este în totalitate dependent de rezervele sale alimentare și de conținutul de apă. Pierderile de apă ca urmare a desfășurării procesului de respirație nu mai pot fi înlocuite și începe procesul de degradare a produsului. Maturarea, coacerea și senescența induc multe schimbări în fructe și legume. Deși, de cele mai multe ori, nu poate fi efectuată o strictă diferență fiziologică între fazele de coacere a fructelor și senescență, coacerea grăbește debutul senescenței, cu modificări structurale ale țesuturilor care cresc probalitatea de vătămare a celulelor. Coacerea fructelor implică multe schimbări complexe precum maturarea semințelor, schimbarea culorii, modificarea țesuturilor, producerea compușilor volatili, dezvoltarea stratului de ceară de pe suprafața cojii, schimbări ale ritmului respirației, producerea de etilenă, modificarea permeabilității țesuturilor etc.

Practicile agricole și condițiile de igienă din timpul recoltării, procesării, ambalării, transportului și depozitării, influențează gradul de infestare cu populații microbiene a produsului [5].

Calitatea produselor proaspăt tăiate poate fi afectată de temperatura mediului ambiant, de umiditatea relativă, și de salubritatea operațiilor de prelucrare [Watada et al., 1996]. Acțiunea fizică de tăiere și de procesare a țesutului produselor vegetale cauzează în masa țesuturilor anumite solicitări, care în funcție de controlul factorilor menționați anterior, pot conduce la pierderi însemnate. Din acest motiv, este necesar a se acorda o mare atenție condițiilor și modului de realizare a operației unitare de tăiere, ca operație de bază în cadrul preocesului de prelucrare a produselor alimentare.

O consecință a felierii morcovilor cu dispozitive neascuțite este apariția colorației albe, ca rezultat al deshidratării celulare [Tatsumi et al., 1991] și/sau a formării de lignină [Barry-Ryan and O’Beirne, 1998]. Deși, efectele operației de tăiere în cazul morcovilor au fost studiate mai mult decât în cazul altor produse vegetale, există de asemenea, indicatori despre efectele procesului de tăiere și asupra calității altor produse horticole. Wright and Kader (1997) au studiat efectele felierii și a depozitării în atmosferă controlată asupra calității și a conținutului de acid ascorbic pentru căpșune și curmale [5].

Flora microbiană a produselor minim procesate reprezintă o preocupare importantă, deoarece implică probleme de siguranță alimentară [Carlin, 1989]. În aceste sisteme care tind spre categoria produselor cu nivelul acid scăzut, umiditatea mare, precum și numărul mare de suprafețe tăiate, creează condiții ideale pentru dezvoltarea microorganismelor patogene, și nu prezintă suficiente „obstacole” împotriva dezvoltării speciilor mai periculoase [Sinigaglia, 1999].

Respirația și transpirația produsului și producerea de etilenă sunt factori majori care contribuie la deteriorarea fructelor și legumelor proaspete. Reducerea acestor procese cu ajutorul tehnologiilor de răcire în vederea păstrării, fac posibilă prelungirea vieții post recoltare a produselor proaspete [5].

CAPITOLUL 4

INSTALATII FOLOSITE LA DESHIDRATAREA PRODUSELOR VEGETALE

4.1. Uscătorul cu benzi suprapuse

Uscarea este procedeul ce se bazează pe principiul biologic al xeroanabiozei, care, prin eliminarea parțială a umidității produsului, conduce la perturbarea, reducerea sau întreruperea funcțiunilor vitale ale microorganismelor.

În industria alimentară sunt folosite pe scară largă uscătoarele cu zone, uscătorul cu benzi și tunelul de uscare.

Uscătorul cu benzi suprapuse se utilizează în special la uscarea legumelor, deoarece fructele se lipesc de bandă datorită sucului ce-l elimină în timpul transportului de pe o bandă pe alta. [2]

Fig. 4.1. – Uscătorul cu benzi suprapuse

Unde: 1 – dulap metalic; 2 – bandă transportoare; 3 -întorcător; 4 – valț de uniformizare; 5 – guri de vizitare; 6 – ventilator prin refulare; 7 – radiatoare; 8 – transportor material uscat; 9 – bandă de alimentare; 10- ventilator [2]

Sunt uscătoare de tip continuu, cu circulația forțată a aerului prin refulare sau aspirație, în contracurent, cu aer proaspăt sau aer proaspăt și recirculat.

Uscătorul este constituit dintr-o cameră paralelipipedică în interiorul căreia sunt montate 4-5 benzi transportoare suprapuse, prevăzute cu valțuri de uniformizare a stratului de material, radiatoare montate intre laturile benzii, ventilator centrifugal ce poate acționa prin refulare sau aspirație, aparatură de măsură și control.

Banda cu dimensiuni de 2 x 5 m este constituită din sită inox, are o viteză reglabilă între 0,1-0,3 m/min și este prevăzută la capătul de antrenare cu întorcătoare de material și la cel de alimentare cu valțuri de uniformizare a stratului.

Produsul supus uscării este adus cu un elevator la partea superioară și este evacuat la partea inferioară a instalației.

Aerul este aspirat de la partea inferioară a uscătorului, străbate cele 4-5 site și radiatoare și este evacuat în atmosferă cu ajutorul unui ventilator.

Regimul termic este controlat cu ajutorul unor termocuple montate deasupra fiecărei benzi. [4]

4.2. Uscătorul tip tunel

Uscătorul tip tunel este o construcție de zid de formă paralelipipedică și se compune din: tunel de uscare, cameră de obținere a agentului de uscare, 12 cărucioare cu câte 25 grătare pe care se așează produsul.

Tunelul de uscare are la capete uși pentru introducerea și scoaterea cărucioarelor, iar la ușa de alimentare prezintă coșul de evacuare a agentului: termic și eventual conducta de recirculare. Circulația agentului termic se face în contracurent cu produsul, în regim forțat cu ajutorul unui ventilator plasat pe conducta montată deasupra tunelului. [3]

Fig. 4.2. – Uscătorul tip tunel [3]

Unde: 1 – tunel de uscare; 2 – cărucior; 3 – ușă de alimentare; 4 – ușă evacuare; 5 – baterie radiatoare; 6 – ventilator.

Camera de obținere a agentului termic este dispusă deasupra tunelului la capătul de alimentare a tunelului. Ea poate fi o cameră prevăzută cu arzător de gaz metan sau motorină când se utilizează gazele de ardere drept agent termic sau o baterie de radiatoare cu abur când se utilizează aerul ca agent de uscare. La unele tipuri, pentru a se facilita uscarea, se montează radiatoare și în interiorul tunelului pe pereții laterali.

Tunele sunt instalații utilizate pentru deshidratarea industrială a fructelor și legumelor. Lungimea lor variază între 10,5 și 15 m, iar lățimea și înălțimea între 1,80 și 2,10 m . Ca și la sisteme de uscare, în care deshidratarea se realizează cu ajutorul aerului cald, uscătorul tunel cere un volum mare de aer, care transportă căldura la produs și în același timp îndepărtează apa ce se evaporă din aceasta. De aceea construcția tunelului este prezentată cu un ventilator de mare capacitate, care absoarbe aerul proaspăt din afară, gazele rezultate din arderea combustibilului și aerul de recirculație și le împinge în camera de uscare (tunelul propriu-zis).

Pentru economie de căldură este necesar să recircule o proporție cât mai mare de aer, fără să se depășească o anumită valoare a umidității relative a aerului, la care uscarea poate fi frântă.

În uscătoarele tunel legumele și fructele ce trebuie deshidratate sunt încărcate pe grătare din lemn, care se așează pe cărucioare. Acestea, încărcate cu materialul respectiv, parcurg tunelul cu o mișcare de înaintare înceată, de la un capăt la altul, materialul rămânând pe grătarele pe care a fost așezat. Mișcarea cărucioarelor în tunel se face în sens opus direcției aerului cald, adică în contracurent. Aerul cald se mișcă în lungul axului tunelului, învăluind fructele și legumele așezate pe grătare. [3]

Fig. 4.3. – Uscătorul tip tunel [8]

Încălzirea tunelului se face în general în mod direct, căldura realizându-se prin arderea combustibilului lichid sau gazos întră cameră de combustie specială. Căldura produsă este transportată cu ajutorul ventilatorului prin intermediul gazelor de ardere în tunelul de uscare, după ce în prealabil acestea au fost amestecate cu aer rece (proaspăt) și cu o parte din aerul de recirculație. Se obține astfel o scădere a temperaturii gazelor de ardere la nivelul corespunzător pentru deshidratarea legumelor și fructelor.

Aerul cald circulă printre grătare, alunecă pe suprafața produselor absoarbe umiditatea și le usucă treptat. La ieșirea din tunelul de uscare, cea mai mare parte a aerului încărcat cu vapori de apă este eliminat în atmosferă.

În tunelul cu circulație în contracurent, aerul mai uscat și mai cald vine în contact cu produsul aproape uscat, în timp ce aerul parțial răcit și încărcat cu umiditate vine în contact cu materialul umed odată cu intrarea lui în tunelul de uscare. Temperatura maximă a aerului care poate fi folosită este determinată de natura produsului respectiv de temperatura pe care o poate suporta acesta în perioada finală de uscare. [8]

Menținerea temperaturii constante în tunel se face în mod automat prin reglarea cantității de combustibil consumată de arzător.

Uscătoarele tunel, care utilizează gazele de ardere, în amestec cu aerul proaspăt și de recirculație, au un consum mai redus de combustibil, comparativ cu tunelurile încălzite în mod indirect.

În uscătoarele tunel, factorii principală care condiționează uscarea rațională a fructelor și legumelor (temperatura, umiditatea și viteza aerului) pot fi reglați în limite relativ largi, pentru ca în cursul procesului să se păstreze maximum de calitate și valoare nutritivă a acestora. [3]

Tabel 4.1. – Date tehnice privind funcționarea tunelului [3]:

Temperatura aerului variază în secțiunea longitudinală a tunelului și prezintă o scădere lentă de la zona de intrare spre cea de ieșire a aerului. În secțiune transversală, pe verticală, se înregistrează valori maxime ale temperaturii aerului în partea superioară a tunelului, unde produsul de pe grătarele de sus are o umiditate mai mică. Pe prima porțiune de la intrarea aerului în uscător (primele trei cărucioare) temperatura unui anumit punct este foarte instabilă, înregistrând fluctuații de ± 3, ± 40 C într-un interval de 5-6 secunde. Aceste fluctuații se datorează aprinderii și stingerii intermitente a arzătorului, comandat de termostat. În restul tunelului, asemenea fluctuații de temperatură, în funcție de întreruperea flăcării arzătorului, nu mai există.

Viteza medie a agentului de uscare la ieșirea din tunelul inferior este de 6,5 m/s. Valorile maxime ale vitezelor maxime au fost înregistrate în partea superioară a tunelului, unde prin spațiul rămas între ultimul grătar și planșeul tunelului curentul de aer se găsește o secțiune de minimă rezistență.

Scurgerea aerului cald prin tunel se face în regim turbulent. Acest lucru face ca viteza de evaporare a apei din material să se mărească, apa de pe suprafețele produsului fiind sub formă de vapori de către curenții oblici sau verticali. În zona de centru a tunelului se constată o diminuare a vitezei de uscare a materialului. Observându-se un cărucior cu material scos din tunel cu câteva ore înainte de terminarea uscării, se poate constata că bucățile de produs așezate pe grătarele din mijloc sunt mai puțin uscate decât cele de pe grătarele extreme. Fenomenul se datorează diferenței de temperatură și de umiditate relativă a aerului care se înregistrează.

Pentru stabilirea debitului ventilatorului s-au făcut determinări ale vitezei curentului de aer în zona de recirculație și în cea de evaporare a aerului umed, pentru diferite reglaje ale clapetelor de aspirație a aerului proaspăt (deshidratarea maximă, medie și zero). Viteza agentului de uscare în zona de recirculație pentru cele trei reglaje ale deshidratării clapelor de aspirație variază astfel: pentru deshidratare maximă de la 6,10-10,40 m/s, pentru deshidratarea medie de la 8,15-13,60 m/s și pentru cazul închiderii complete a clapelor de la 9-14 m/s.

Din punct de vedere al calității producției rezultate, analizele făcute pentru regimuri diferite de funcționare a arzătorului (debit maxim, minim și mediu) au dovedit că gazele de ardere nu exercită nici o influență asupra materialului uscat. [3]

4.3. Instalația de deshidratare convectivă

Fig. 4.4. – Instalația de deshidratare convectivă [3]

Date tehnice:

Capacitatea masinii de baza l 100

Capacitatea containerului atasat l 200

Tensiunea de alimentare 220 / 380 V 50 Hz

Element de încalzire kW 4,5

Ventilator kW 0,95

Înaltime transport m 3

Presiunea de transport bar 0,055

Generator aer uscat kW 0,74

Puterea totala fara generatorul de aer cald kW 5,5

Puterea totala cu generatorul de aer cald kW 6,2

Cantitate aer uscat m3/h 90

Cantitate aer regenerat m3/h 20

Presiunea de conectare a aerului comprimat pentru alte dispozitive de transport bar 4 – 6

Cantitatea max. de filtrare a aerului m3/h 180

Avantaje:

Utilajul este actionat direct din unitatea de control a masinii.

Timpii pentru închidere si deschidere, operarea temperaturilor si reducerea temperaturilor pot fi programate pe monitorul masiii Allrounder.

Datele setate sunt stocate împreuna pe discheta. [3]

Mecanismul procedeului de uscare în această instalație

Pentru îndepărtarea apei din-legume și fructe, în timpul procesului de uscare, intervin două fenomene fundamentale:

transferul de căldura, care asigură energia necesară transformării apei în vapori;

transferul de masă prin transferul apei sau vaporilor de apă prin celule și apoi afară din produs.

Pentru a putea fi uscate produsele trebuie să fie în primul rând încălzite. Căldura este adusă la produs fie cu ajutorul aerului cald (convecție), fie prin încălzirea suprafeței pe care se găsesc produsele, de la care acestea preiau căldura (conducție). în cazul încălzirii produselor direct de la razele solare, transmiterea căldurii se face prin radiație. Vaporii de apă ieșiți din produs sînt preluați de aer, care devine mediu de transfer de masă. [3]

Pentru a înțelege transferul de apă din produs, trebuie definite și explicate câteva proprietăți de bază ale amestecului de aer -f- vapori de apă:

Umiditatea absolută a unui amestec aer -f- vapori, reprezintă cantitatea de vapori de apă exprimată în grame, care poate fi conținută de un m3 de aer la o anumită temperatură și presiune.

Umiditatea relativă a aerului este definită printr-un raport, exprimat în procente, între cantitatea de vapori de apă aflați într-un volum de aer la un moment dat și cantitatea de vapori de apă aflați în același volum de aer, când este saturat, la aceeași temperatură și presiune. Umiditatea relativă a aerului arată capacitatea aerului respectiv de a prelua cantități noi de vapori de apă în cursul deshidratării, pînă la atingerea gradului său de Saturație. Viteza de deshidratare și uscare depinde deci de umiditatea relativă a aerului din instalație; cu cît aceasta va fi mai scăzută, cu atât uscarea va avea loc într-un timp mai redus. Dacă temperatura aerului din instalația de uscare crește, umiditatea relativă a aerului scade, deci el va putea prelua cantități noi de vapori de apă. Dimpotrivă, dacă temperatura aerului va scădea, el va deveni saturat în vapori de apă, iar dacă va scădea și mai mult, vaporii de apă din aerul respectiv se vor condensa. Acesta este punctul de, rouă sau temperatura de rouă. [3]

De aceea, în timpul procesului de uscare, aerul din instalație trebuie să fie în continuă circulație și să fie încălzit, pentru a-i crește capacitatea de a prelua cantități noi de vapori de apă.

In instalațiile de uscare, evaporarea apei are loc atât pe baza diferenței de temperatură dintre cea a produsului supus uscării și cea a aerului încălzit, cit mai ales prin diferența dintre presiunea vaporilor din interiorul țesuturilor și .cea a vaporilor cuprinși de aerul din instalație. Evaporarea este influențată și de tensiunea (forța) superficială a vaporilor de apă din produs. Evaporarea se desfășoară până când se realizează un echilibru între presiunea vaporilor din cele două medii, cu alte cuvinte până când aerul cald din instalație a fost saturat cu vapori de apă. Cantitatea de vapori de care poate fi absorbită de aer este în strânsă dependență de temperatura aerului din instalație, deoarece cu cît aerul este mai cald, cu atât el poate absorbi o cantitate mai mare de vapori. [4]

Când s-a stabilit echilibrul între umiditatea produsului și saturația aerului cu vapori de apă în instalație, iar produsul nu este încă gata uscat, procesul de uscare va putea continua numai prin crearea unui nou dezechilibru între umiditatea celor două medii. Acest dezechilibru se poate realiza prin una din următoarele măsuri tehnologice:

fie prin ridicarea temperaturii aerului din instalație — dacă această operație este posibilă din punct de vedere tehnologic;

fie ventilând aerul din instalație, făcîndu-1 să piardă o anume cantitate de vapori de apă cu care este încărcat.

Asupra caracteristicilor structuro-texturale și fizico-chimice pierderea apei din țesuturile legumelor și fructelor are o influență profundă.

Țesuturile vegetale în stare vie au proprietatea de turgescență; fiecare celulă este menținută destinsă, datorită conținutului ei în lichid și are o structură destul de fermă.

Pereții celulelor sînt sub. tensiune, iar conținutul lor sub compresie. Pereții celulelor au rezistență și elasticitate, dar dacă solicitarea elastică crește peste o oarecare valoare, moderată, structura cedează parțial j ireversibil. Aceste deformații plastice au loc indiferent de metoda folosită pentru uscarea celulelor vegetale sau animale în afară de liofilizare * , unde dimensiunile originale sînt menținute. [4]

Dacă celulele sînt omorâte prin opărire, pereții celulari devin mai ușor permeabil, turgescență poate dispărea ,iar deformarea permanentă prin uscare poate deveni chiar mai mare. Aceste procese se desfășoară ; în trei faze:

Faza de încălzire a materiei prime supusă uscării, în cursul acestei faze, practic nu are loc fenomenul de evaporare a apei din produs, ci se urmărește depășirea stării de echilibru .dintre umiditatea relativă a aerului din instalația de uscare și umiditatea produsului de uscat, încălzind aerul din instalație se creează capacitatea acestuia de a absorbi o cantitate mai mare de vapori, iar prin încălzirea produsului scade tensiunea superficială a vaporilor de la suprafața lui.

În această fază, pe măsura evaporării apei de pe suprafețele umede ale produselor, diametrul porilor superficiali și a capilarelor pline cu apă se micșorează, elementele structurale solide se strâng sub influența tensiunii superficiale și efectul se adâncește în straturile de țesuturi, spre centrul bucăților de produse supuse uscării; volumul contracției este egal cu cel al apei evaporate și viteza uscării pe unitatea de suprafață rămâne constantă.

Faza de uscare, în care evaporarea apei se produce ca urmare a dezechilibrului creat între umiditățile celor două medii și a scăderii tensiunii superficiale a vaporilor de la suprafața produsului. Evaporarea se va realiza într-un timp cu atât mai scurt, cu cît circuitul aerului pentru eliminarea vaporilor de apă pe care i-a preluat de la produs, se va realiza într-un ritm, mai rapid și într-un circuit închis fără pierderi de căldură.

În această fază, elementele structurale ale produsului încep să se deformeze prin încrețire așa încât tind să ocupe mai puțin spațiu iar o parte din apă este îndepărtată la suprafață, dar la aceasta se opune creșterea rezistenței la deformare, iar nivelul de apă sânt, de asemenea, îndepărtați de la suprafața legumelor și fructelor prin difuzie moleculară în aer prin capilarele deschise.

În continuare, straturile groase de apă care țineau separat lanțurile moleculare lungi și flexibile ale produselor, încep să cedeze moleculele mai slab reținute într-un strat difuzional în direcția țesuturilor cu concentrație scăzută în apă, desigur spre suprafață. Procesul continuă prin subțierea straturilor groase până ce apa rămâne, în medie, în strat gros de o moleculă, adsorbit de suprafețele interne, neuniform, dar de preferință îndreptate spre grupurile de celule cu polaritate mai mare din structura substratului. Elementele structurale continuă să fie ținute mai strâns împreună și se contractă, deși mai puțin decât volumul de apă pierdut.

Faza finala, se consideră din momentul când produsul începe să cedeze din apa legată, în această fază, procesul de evaporare a apei din produse încetinește simțitor curba de uscare, înregistrând descreșteri. Difuzia umidități din masa produsului se face tot mai dificil; ea depinde de gradul de solubilitate a substanțelor în apa celulară, de structura produsului, de capilaritatea lui, de mărimea bucăților de produs supuse uscării.

În această fază finală, moleculele de apă, adsorbite pe suprafețele interne ale constituienților solizi, sînt îndepărtate printr-un proces de difuzie activă de-a lungul lamelelor sau fibrelor solide, în direcția suprafețelor cu potențial mai scăzut de vapori.

În acest proces, o moleculă de apă, care prin schimb capătă un impuls mai mare decât mediu, în vibrarea ei termică continuă, poate sări din locul ei de absorbție într-un loc vacant, apropiat și, în medie, vor fi mai multe locuri vacante în direcția presiunii scăzute de vapori. Procesul va continua însă din ce în ce mai lent, până când este atins echilibrul cu umiditatea aerului înconjurător. [3]

4.4. Deshidratarea în uscătoare tip modulară

Aceste uscătoare sunt formate dintr-o incintă a cărui volum poate fi cuprins între cel al unui dulap obișnuit până la volumul unei camere de locuit, însă pentru uscare acestor produse se folosesc uscătoare de mică dimensiune. În cameră materialul este așezat pe stive, stelaje, cărucioare sau alte sisteme de susținere care depind de tipul de material. Pentru materiale granulare, pulberi sau paste materialul este așezat în tăvi dispuse pe stelajele interioare ale uscătorului sau pe cărucioare prevăzute cu rafturi. Acest tip de uscător poate fi utilizat și pentru uscarea pieilor în unitățile de prelucrare cu

capacitatea de producție mică. În figura următoare. este prezentat un uscător cu cameră pentru materiale granulare, produse semifabricate semisolide așezate în tăvi plasate pe polițele unui cărucior. Regimul de funcționare este discontinuu, iar agentul de uscare circulă forțat scăldând sau străbătând materialul. Aceste

uscătoare pot funcționa după varianta normală, după varianta cu încălzire intermediară, după varianta cu recircularea parțială a agentului de uscare sau după variante combinate.

De exemplu, uscătorul prezentat, funcționează după varianta cu încălzirea intermediară a aerului combinată cu varianta cu recircularea parțială a agentului de uscare. Principalul dezavantaj al acestor uscătoare este funcționarea discontinuă și productivitatea mică, motiv pentru care ele sunt utilizate în special în industriile de mic tonaj cum ar fi: industria farmaceutică, industria coloranților și a pigmenților, industria cosmetică, etc. [4]

Fig. 4.5. – Deshidratarea în uscătoare tip modulară [3]

4.5. Concluzii

Conservarea fructelor și legumelor prin deshidratare se realizează prin mai multe procedee, cum ar fi: uscarea prin convecție, la care căldura este transmisă de la agentul de uscare la produs prin convecție. Ca agent de uscare se folosește aerul cald; gazele de ardere, abur supraîncălzit etc; uscarea prin conducție, la care transmisia căldurii se face prin produs, folosindu-se ca surse de încălzire plăci; valțuri; tamburi etc.; uscarea prin radiație, constă în transmisia căldurii necesare uscării produsului prin radiație, cum ar fi uscarea la soare sau uscarea cu radiații infraroșii; uscarea într-un câmp de înaltă frecvență, care constă în transformarea energiei unui câmp de înaltă frecvență în energie calorică în masa materialului supus uscării.

În timpul uscării, indiferent de metoda folosită, în produs au loc următoarele fenomene: difuziunea externă, se caracterizează prin evaporarea apei de la suprafața produsului; difuziunea internă, constă în migrarea apei din straturile interioare spre exterior, ca urmare a evaporării apei de la suprafață și a tendinței de egalizare a umidității în produs; termodifuziunea apei, prin deplasarea vaporilor și apei dinspre suprafețele încălzite spre suprafețele cu temperatură mai scăzută.

Procesul de uscare a fructelor și legumelor este complex și se derulează în două etape distincte. În prima etapă (în primele ore) evaporarea apei din produs se realizează cu intensitate mare, eliminându-se apa liberă, după care viteza de uscare se reduce treptat, proporțional cu reducerea umidității produsului, aceasta constituie a doua etapă și se numește perioada de scădere a vitezei de uscare. [14]

CAPITOLUL 5

PROCESUL DE USCARE AL PRODUSELOR VEGETALE IN USCATOARE CONVECTIVE CU AJUTORUL CURENTILOR CALZI SI INSTALATIILE PENTRU ACEST TIP DE USCARE

Uscarea convectivă continuă să rămână și în prezent cel mai cunoscut și răspândit procedeu de eliminare a umidității din material, atât datorită simplității procesului, cât mai ales multiplelor posibilități de a obține, cu cheltuieli reduse, o calitate bună a uscării, într-un timp scurt.

Materialul umed vine în contact cu agentul de uscare – aerul cald sau gazele de ardere – de la care primește, prin convecție, 80—90% din cantitatea totală de căldură necesară desfășurării procesului de uscare. Parametrii agentului de uscare (viteză, temperatură, umiditate relativă etc.) precum si legătura între umiditate si material condiționează transferul de căldură și masă în procesul de uscare. De obicei, în timpul procesului agentul de uscare își modifică în timp temperatura, umiditatea relativă și chiar viteza de circulație, iar materialul umed își modifică căldura specifică, densitatea, conductivitatea termică și chiar dimensiunile. De asemenea, în timpul procesului variază coeficienții de transfer de căldură și masă, vâscozitatea apei, tensiunea superficială etc., astfel că pentru cunoașterea cu exactitate a modului de desfășurare a procesului este necesară o corelare între rezultatele teoretice cunoscute și cercetările experimentale directe, efectuate pentru fiecare material în parte.

Experimental, particularitățile procesului de uscare al materialelor umede sunt date prin curbele de uscare (care prezintă variația umidității în timp), curbele vitezei de uscare (variația vitezei de uscare cu umiditatea sau în timp), variația temperaturii materialului și a agentului de uscare în timp etc. Curbele experimentale oferă posibilitatea examinării influenței diferiților parametri asupra desfășurării procesului de uscare, în vederea stabilirii unor regimuri economice de uscare. [1]

Schema generală de funcționare a unui uscător convectiv

Fig. 5.1 Schema generală de funcționare a unui uscător convective [13]

Aceasta schema provine de la un echipament de uscare convectiv și anume uscătorul tip cameră cu cărucioare și polițe a cărui schemă constructivă poate fi observată în figura 5.1. [13]

Părțile componente ale uscătorului tip cameră cu cărucioare și polițe sunt: 1-camera uscătorului; 2-vagoneți (cărucioare) cu stelaje sau polițe; 3-ventilator; 4-calorifer exterior pentru încălzirea amestecului de aer; 5,6-calorifere interioare pentru încălzirea intermediară a agentului de uscare; 7-clapeta pentru reglarea recirculării aerului uzat.

Funcționarea acestuia este una elementara, aerul fiind introdus din mediul ambient în instalația de uscare, fiind în primă fază trecut printr-un schimbător de căldură ce are rolul de ai oferi aerului proaspăt introdus temperature necesara procesului de uscare pentru faza respective, după care este trimis mai departe în instalație către un sistem de clapete ce are rolul de a controla debitul de agent termic introdus în camera de uscare, astfel realizânduse într-un mod simplu dozarea aerului cald, acesta fiind preluat de către un ventilator este trimis prin intermediul unui sistem de conducte către camera de uscare unde sunt așezate în prealabil produsele vegetale ce urmează a fi supuse procesului de uscare. După parcurgerea întregii camera, aerul este deja umed, datorita faptului că acesta a preluat din umiditatea produselor vegetale, urmând ca o parte din acesta să fie evacuat, iar cealaltă parte recirculată, pentru a reduce din cantitatea de combustibil utilizat pentru încălzirea aerului. Am ales sa prezint această schema, datorita faptului că în present se pune foarte mare accent pe salvarea energiei și promovarea proceselor de lucru cât mai rentabile din punct de vedere energetic, iar aceasta este una dintre ele în domeniul uscătoarelor convective.

5.1. Calculul termic al instalațiilor de uscare de tip convectiv

Calculul termic al uscătoarelor are drept scop stabilirea consumurilor de agent termic și de căldură în strânsă dependență cu tehnologia uscării, parametrii de funcționare și tipul instalației.

Spre deosebire de uscătorul teoretic, la uscătorul real (fig. 5.2) apar pierderi, respectiv surse suplimentare de căldură Q8 prin bateriile montate în uscător.

Pierderile de căldură prin încălzirea materialului supus uscării între temperaturile de intrare – ieșire tm1 și tm2, este:

Om = Mm2 cm2 tm2 – Mm1 cm1 tm1 = Mm2 cm2 (tm2 – tm1) – ΔUcapă tm1 [kJ / s] (5.1)

unde: Mm1 , Mm2 – reprezintă debitele masice de material la intrare, respectiv ieșire, kg/s;

cm2 – căldura specifică a materialului, kJ/kg*K;

capă – căldura specifică a apei, 4,19 kJ/kg*K;

ΔU – diferența de umiditate între valoarea inițială și finală raportată la timpul de uscare, kg/s.

Prin încălzirea utilajului de transport apare de asemenea o pierdere de căldură, care se exprimă prin relația:

Otr = Mtr ctr (ttr2 – ttr1) (5.2)

în care: Mtr reprezintă debitul masic al pieselor mobile din instalația de transport, raportat la timpul de uscare, kg/s.

ctr – căldura specifică a materialului din care sunt executate piesele instalației de transport, kJ/kgK;

ttr2 , ttr1 – temperatura finală, respectiv inițială a pieselor instalației de transport; [1]

Fig 5.2. Schema camerei reale de uscare prin convecție [3]

Pierderea de căldură către mediul exterior se obține prin însumarea fluxurilor transmise prin pereții camerei de uscare:

Oext = Σ kS Δtmed [kJ/s], (5.3)

unde: S – reprezintă suprafața pereților, m2;

k – coeficientul de transfer global de căldură, W/m2K;

Δtmed – diferența medie de temperatură între agentul termic și mediul exterior, oC.

Ecuația bilanțului termic pentru camera de uscare, reprezentată în figura 1., are expresia:

Ma i1+x,1 + Qs = Qm + Qtr + Qext + Ma i1+x,2 [W] (5.4)

sau pentru 1 kg de umiditate preluată de agentul de uscare:

l (i1+x,2 – i1+x,1) = qs – (qm + qtr + qext) [kL/kg] (5.5)

în care s-au introdus notațiile:

l = Ma / ΔU este consumul specific de aer al instalației, kg aer/kg umiditate;

qs = Qs / ΔU consumul specific de căldură în camera de uscare;

qm = Qm / ΔU = (Mm2 cm2 / ΔU)* (tm2 – tm1) – capă tm1 este pierderea specifică de căldură a materialului supus uscării;

qtr = Qtr / ΔU – consumul specific de căldură al utilajului de transport;

qext = Qext / ΔU – pierderea specifică de căldură spre mediul ambient.

Ținând seama de expresia termenului qm, ecuația bilanțului termic poate fi scrisă și sub forma:

l (i1+x,2 – i1+x,1) = qs + capă tm1 – (q’m + qtr + qext) (5.6)

unde: q’m = (Mm2 cm2 / ΔU ) / (tm2 – tm1) reprezintă consumul specific de căldură raportat la materialul de uscat care iese din instalație.

Dacă se face notația:

Δq = qs + capă tm1 – (q’m + qtr + qext) (5.7)

ecuația bilanțului termic devine:

l (i1+x,2 – i1+x,1) = Δq, (5.8)

sau, ținând seama de expresia consumului specific de aer, rezultă:

l = 1 / (x2 – x1) = 1 / (xD – xB) (5.9)

În desfășurarea procesului de uscare pot exista trei situații:

căldura introdusă suplimentar și cu materialul depășește suma pierderilor, deci Δq > 0;

căldura introdusă suplimentar nu este suficientă pentru acoperirea pierderilor și deci Δq < 0;

căldura introdusă compensează în totalitate pierderile, Δq = 0 și deci în acest caz i1+x,2 = i1+x,1 uscătorul real funcționând ca și cel teoretic.

În cazul uscătoarelor reale în funcție de semnul lui Δq diferența de entalpie a aerului la ieșire și la intrare va fi o mărime pozitivă sau negativă.

Pentru Δq > 0, entalpia aerului la ieșire va fi mai mare decât la intrare, procesul de uscare decurgând după dreapta BD cu o pantă mai mare decît BC – care reprezintă uscarea cu i = const. (Fig 5.3.).

Rezolvarea problemei constă în stabilirea pantei dreptei BD care nu este paralelă cu abscisa auxiliară. În cazul menținerii valorii umidității relative φ2 a aerului la ieșire din instalație se constată că, la procesul real, conținutul de umiditate al aerului la ieșire este xD > xC; de asemenea în cazul procesului real de uscare temperatura de ieșire a aerului tD > tC. În cazul conducerii procesului de uscare până la un conținut de umiditate se constată că valoarea umidității relative φE < φC , deci eficiența procesului de uscare este micșorată. Pentru un punct oarecare M de pe dreapta BD este îndeplinită condiția:

i1+x,M – i1+x,N = Δq / l = Δq (xD – xP ) (5.10)

deci,

MN = PM Δq (mx – mi ) (5.11)

unde: mx și mi reprezintă scara conținutului de umiditate, respectiv a entalpiei. Pentru diagrama i1+x – x raportul mx / mi are valoarea 21.103 kg/kJ. [3]

Din această expresie se poate găsi valoarea pantei pe care o are procesul real de uscare pentru situația când Δq > 0. Starea finală a procesului de uscare este determinată prin intersecția dreptei BD cu valorile finale pentru φ2 = const. sau t2 = const.

Pentru Δq < 0 pierderile de căldură prin încălzirea materialului, dispozitivului de transport și în mediul înconjurător sunt mai mari decât căldura introdusă suplimentar în camera de uscare și odată cu materialul supus uscării. În acest caz direcția liniei care caracterizează variația entalpiei aerului se determină în același mod ca în cazul precedent, cu diferența că segmentul CE se ia in jos (Fig 5.4.).

Consumul specific de căldură al instalației de uscare, potrivit notațiilor este:

q =[( i1+x,1 – i1+x,0 ) / (x2 – x1)] + [(q’m + qtr + qext) – capă tm1] [kJ/kg] (5.12)

Acest consum de căldură este format din doi termeni:

– consumul specific de căldură în bateria de încălzire qb = (i1+x,1 – i1+x,0) / (x2 – x1 );

– consumul specific de căldură suplimentară în camera de uscare

qb = [(ii+x,2 – ii+x,1) / (x2 – x0 )] + (q’m + qtr + qext) – capă tm1

Uneori, procesul de uscare se efectuează cu recircularea parțială a agentului termic; în acest caz, la ieșirea din uscător, curentul de aer sau gaze de ardere se împarte în două: o parte se elimină în atmosferă, iar restul reintră în uscător prin bateria de încălzire sau chiar direct în uscător (Fig 5.5). [1]

Fig 5.5. – Schema instalației de uscare cu recirculare [1]

Dacă se definește factorul de recirculare prin expresia:

n = Mar / Ma (5.13)

în care: Mar este debitul de aer recirculat;

Ma este debitul de aer care intră în uscător, expresia de calcul a entalpiei amestecului este:

i1+xam = =[( i1+x,0 + n* i1+x,2 )] / (1 + n), (5.14)

iar conținutul de umiditate: xam = (x0 + n * x2 ) / (1 + n) (5.15)

Rezolvând această ecuație în raport cu n, se obține:

n = (xam – x0) / (x2 – xam) = AM / MC (5.16)

În diagrama i1+x – x, procesul realizat într-un astfel de uscător teoretic este reprezentat prin conturul AMB1C (Fig 4.10.). Consumul de aer aspirat din exterior, pentru un asemenea uscător va fi:

l = 1 / (x2 – x0) [kg/kg umid.] (5.17)

iar consumul de aer recirculat:

ln = 1 / (x2 – xam ) [kg/kg umid.] (5.18)

ln = l (1 + n)

Valoarea consumului de căldură este dată de relația:

q = l (i1+x,2 – i1+x,0) [kJ/kg umid.] (5.19)

Din recircularea agentului termic se reușește ca la aceleași valori ale lui t1 să se mărească conținutul de umiditate al amestecului recirculat. Acest tip de uscare prezintă o serie de avantaje, între care:

modificarea gradientului de umiditate între material și agentul termic de uscare;

micșorarea consumului de căldură pentru aceleași valori ale temperaturii aerului la intrarea și ieșirea din instalație;

posibilitatea conducerii procesului de uscare la diferențe mici de temperatură între intrarea și ieșirea agentului de uscare;

creșterea vitezei de deplasare a agentului termic prin uscător. [1]

Fig 5.6. – Reprezentarea procesului de uscare cu recirculare în diagrama i1+x – x. [1]

În tehnica uscării sunt aplicate și alte variante ale uscării convective cu aer cald (Fig 5.6.): cu încălzire intermediară a aerului pe zone, cu recirculare și preîncălzire intermediară a aerului, cu circuit închis.

Uscarea cu încălzirea intermediară a aerului (Fig 5.7.a) se adoptă în scopul menținerii cât mai constante a nivelului de temperatură a aerului în uscător. Camera de uscare se împarte în mai multe zone, între care se instalează bateriile de încălzire intermediară a aerului. De obicei, se indică stările inițiale și finale ale aerului, alegându-se stările intermediare în raport cu numărul de zone în care urmează să se împartă camera de uscare. Calculul termic al uscătorului pe zone este similar cu cel prezentat anterior.

Uscarea cu recirculare și încălzire intermediară (Fig 5.7.b), dă posibilitatea de a reduce temperatura aerului în camera de uscare, păstrându-se aceiași indici economici. În uscătoarele de acest tip aerul utilizat din fiecare cameră se ramifică în două părți: o parte este aspirată de ventilatorul intermediar și se amestecă cu aer proaspăt, totul fiind încălzit în bateria de la intrarea în cameră, iar cealaltă parte intră în bateria de încălzirea, zonei următoare împreună cu partea de aer recirculat proaspăt din această zonă. Astfel de sisteme pentru circulația aerului în uscător au căpătat o largă răspândire în industrie datorită faptului că sunt economice, uscarea făcându-se uniform, la temperaturi scăzute, dar cu viteze mari, datorită circulației rapide a aerului. [1]

Uscătoarele cu circuit închis (Fig 5.7.c), sunt prevăzute cu condensatoare de suprafață sau de amestec, în care are loc condensarea parțială a vaporilor de apă din aerul uzat. Aerul iese din condensator la starea de saturație, cu un conținut redus de umiditate, fiind reîncălzit înainte de intrarea în uscător. Sistemul de uscare în circuit închis se adoptă atunci când:

procesul necesită un aer cu puritate ridicată;

se usucă produse din care se degajă componenți valoroși; din punct de vedere economic, care condensează la temperaturi joase; în acest caz condensatorul se poate înlocui și cu substanțe adsorbante care parcurg ciclul sorbție—desorbție;

umiditatea aerului exterior este egală sau mai mare decât a aerului uzat;

din calcule tehnico-economice rezultă necesitatea adoptării unui astfel de sistem prin comparație cu alte variante posibile.

Atunci când materialul supus uscării permite desfășurarea procesului la temperatură ridicată, în locul aerului se folosesc gaze de ardere, produse într-un focar propriu sau rezultate din instalații termice. Înainte de a fi introduse în uscător gazele de ardere sunt amestecate cu aer proaspăt pentru obținerea nivelului de temperatură dorit. Pentru calculul termic al acestor instalații cu gaze de ardere, se poate utiliza diagrama il+x – x pentru aer. [1]

4.2. Cinetica desfășurării proceselor convective de uscare

Viteza de uscare m, este determinată de masa de apă Ma (umiditate) preluată, de pe unitatea de suprafață în unitatea de timp:

m = (d Ma) / (S d τ ) [kg / m2s ] (5.20)

Relația între viteza de uscare și durata procesului constituie elementul de bază pentru construcția instalațiilor de uscare; această relație este complexă și o metodă analitică de stabilire a ei nu este posibil de aplicat. În practică, viteza de uscare se determină prin prelucrarea datelor experimentale; forma curbelor de uscare, care stabilesc legătura între umiditate și timpul de uscare este prezentată în fig 5.8.

Fig 5.8. – Curba de uscare [1]

Factorii de care depinde viteza de uscare sunt grupați în următoarele categorii:

natura materialului, precizată prin structură, compoziția chimică, modul de legătură a umidității cu materialul;

forma materialului supus procesului de uscare;

valoarea umidității inițiale și finale;

parametrii agentului de uscare (temperatură, viteză, umiditate);

modul în care se stabilește contactul între agentul termic și material.

Deși luarea în considerație, prin calcul, a tuturor parametrilor și factorilor de care depinde uscarea este imposibilă, totuși se poate determina cu aproximație durata procesului de uscare. Curba de uscare pentru majoritatea materialelor prezintă două zone distincte despărțite de punctul critic P.C. (Fig 5.8.). Prima porțiune reprezintă o linie dreaptă și corespunde primei perioade de uscare, cu viteză constantă, iar a doua corespunde unei curbe exponențiale, pe care viteza de uscare scade continuu (a doua perioadă a uscării). În perioada vitezei constante de uscare, presiunea parțială a vaporilor la suprafața materialului este egală cu valoarea corespunzătoare de deasupra unui lichid cu suprafață liberă și viteza de uscare nu depinde de grosimea stratului de material și nici de valoarea inițială a umidității; Ea depinde numai de regimul de temperatură al uscării, viteza agentului și umiditatea acestuia. În a doua perioadă de uscare, viteza de uscare este determinată de viteza de difuzie a umidității din interiorul materialului si depinde de grosimea stratului de material supus uscării, precum și de valoarea umidității acestuia. Influența vitezei aerului și umidității acestuia este redusă.

În cazul menținerii constante a umidității agentului de uscare, în prima perioadă, viteza de uscare se menține constantă și cantitatea de umiditate evaporată dMa este proporțională cu cantitatea de căldură dQ, preluată de material:

d Ma = dQ / r [kg / s], (5.21)

unde r reprezintă căldura de vaporizare a apei. [1]

Conform ecuației Newton, cantitatea de căldură preluată de material în intervalul de timp d τ, este:

dQ = α S (t – tsup) d τ , (5.22)

în care: α este coeficientul de transmitere a căldurii prin convecție, W/m2K,

S – suprafața materialului umed, m2;

t – temperatura agentului termic, oC;

tsup – temperatura suprafeței materialului supus uscării, °C.

Înlocuind expresia lui dQ în ecuația de mai sus, rezultă:

d Ma = [(α S ) / r ] (t – tsup ) d τ (5.23)

sau

d Ma = Kt S (t – tsup ) d τ (5.24)

unde: Kt = α / r , reprezintă coeficientul de transfer de substanță, cu dimensiunea kg / (m2 s K)

Ecuația vitezei de uscare pentru prima perioadă este:

m = d Ma / S d τ = Kt S (t – tsup ) [kg / m2s ] (5.25)

Dacă umiditatea superficială a materialului este mare, temperatura suprafeței de evaporare tsup este egală cu temperatura la suprafața liberă a apei care se evaporă și poate fi determinată cu ajutorul termometrului umed: tsup = tum;

m = (α / r )*(t – tum ) [kg / m2s ] (5.26)

unde diferența de temperatură t — tum se poate măsura cu ajutorul psihometrului.

De obicei, factorul determinant al procesului se exprimă sub forma diferenței între presiunea parțială a vaporilor saturați și în starea reală (ps – pv); În acest caz ecuația poate fi scrisă sub forma:

m = kp (ps – pv ) (5.27)

unde: kp este coeficientul de transfer de masă, exprimat în kg / m2 s Pa egal cu produsul între valoarea coeficientului de convecție α și un coeficient de proporționalitate b: kp = bx.

Pe baza teoriei similitudinii, coeficientul de convecție a poate fi stabilit cu ajutorul expresiei:

α = A (ω ρ )n, (5.28)

unde: A reprezintă o constantă dependentă de natura agentului de uscare;

ω – viteza agentului de uscare, m/s ;

ρ – densitatea agentului de uscare, kg/m3;

n – exponent corespunzător regimului de curgere.

În cazul aerului, coeficientul de transfer de masă kp, are expresia:

kp = 0,0745 (ω ρ)0,8 (5.29)

Folosind expresia coeficientului de transfer de masă kP, viteza de uscare devine:

kp = 0,0745 (ω ρ)0,8 (ps – pv ) (5.30)

Fig 5.9. Cele două faze ale procesului de uscare, cu valoare constantă și descrescătoare a vitezei de uscare [1]

Din această ecuație rezultă că viteza de uscare în prima perioadă depinde numai de parametrii agentului de uscare, precizați prin diferența (ps – pv) fi valoarea vitezei masice ωρ.

Procesul de uscare în a doua perioadă prezintă o valoare descrescătoare a vitezei de uscare și poate ii exprimat aproximativ printr-o linie dreaptă care unește umiditatea critică cu cea de echilibru (Fig 5.9.). Pentru această perioadă se poate admite că viteza de uscare este proporțională cu diferența între umiditatea liberă și la echilibru, deci:

m = d Ma / S d τ = Ku (U – Ue ) (5.31)

în care: Ku reprezintă coeficientul de evaporare, iar U și Ue, umiditatea materialului la un moment dat, respectiv la echilibru, înlocuind în această expresie dMa = —Mm d U, se obține:

Mm d U / S d τ = Ku (U – Ue ), (5.32)

sau după integrare:

(Mm / S) ln [(Uer – Ue ) / (U2 – U1 )] = Ku τ2 , (5.33)

unde: U2 reprezintă umiditatea materialului la finele perioadei a doua de uscare,

τ2 durata acestei perioade, iar Mm este masa de material uscat.

Rezolvând ecuația în raport cu τ2, rezultă:

τ2 = [Mm / Ku S ] ln [(Uer – Ue ) / (U2 – Ue )] (5.34)

Cu ajutorul acestei relații se poate determina și viteza de uscare în prima perioadă; conform cu fig. 8, valoarea vitezei de uscare în perioada vitezei constante este egală cu viteza de uscare în punctul critic, deci:

Mm d U / S d τ = Ku (Uer – Ue ), (5.35)

sau după integrare, între umiditatea inițială U1 și cea critică Uer , respectiv pentru timp, între 0 și τ, rezultă:

τ1 = [Mm / Ku S ] ln [(U1 – Uer ) / (Uer – Ue )] (5.36)

Metoda de calcul prezentată pentru stabilirea intervalului de timp τ1 — corespunzător primei faze a uscării — și τ2 — pentru faza a doua — conduce la rezultate aproximative și pentru corectarea lor sunt necesare date experimentale corespunzătoare.

De obicei, conținutul de umiditate al aerului variază continuu în sensul creșterii – la trecerea prin uscător, concomitent valoarea temperaturii lui micșorându-se. Practic, se poate considera în acest caz că viteza de uscare este proporțională cu diferența (xs – x), adică cu diferența conținutului de umiditate:

d Ma / S d τ = Kx (x8 – x ), (5.37)

unde dS reprezintă suprafața elementară a materialului supus uscării, iar Kx este coeficientul de transfer de masă. [3]

Cantitatea de umiditate antrenată de debitul de aer L în intervalul de timp τ este:

d Ma = L τ d x , (5.38)

Prin înlocuirea acestei relații se obține:

L d x / (x8 – x ) = Kx d S, (5.39)

Integrând ecuația între limitele xi – umiditatea inițială a aerului și xf – umiditatea lui final, se obține suprafața totală necesară uscării în prima perioadă:

S1 = ( L / Kx ) ln [(x8 – xi ) / (x8 – xf)] [m2] (5.40)

Relația se poate aplica numai primei faze a uscării – uscarea cu viteză constantă; dacă însă a fost atins punctul critic suprafața activă de uscare se micșorează: S’ = nS în care n = U/Ucr este raportul între umiditatea liberă și umiditatea critică. În acest caz, ecuația devine:

L d x / (x8 – x ) = Kx (U / Ucr )d S (5.41)

care permite determinarea suprafeței S2 în a doua perioadă a uscării.

Valoarea numerică a coeficientului Kx trebuie determinată pe cale experimentală, pentru aceleași condiții în care se presupune că lucrează instalațiile industriale.

Metodele de calcul date în condițiile constante și în special în condiții variabile dau rezultate aproximative și pentru utilizarea lor sunt necesare date experimentale corespunzătoare. [1]

CONCLUZII

Uscătoarele convective prezintă o largă utilizare datorită eficacității lor ridicate și simplității lor constructive. Deși varietatea tipurilor constructive este numeroasă, ele se pot împărți în două grupe mari, ținând seama de modul de funcționare;

uscătoare cu funcționare continuă;

uscătoare cu funcționare periodică.

Presiunea agentului de uscare este egală cu presiunea atmosferică sau puțin diferită de aceasta. Dacă în interiorul aparatului se creează vid, efectul convecției se reduce substanțial, transferul de căldură către material realizându-se prin conducție și radiație.

În cazul uscarii naturale agentul termic de bază este caldura solară sau alte energii regenerabile, la deshidratare se utilizează preponderent energia electrică sau cea conținută, în principal, în surse neregenerabile și mai puțin în surse regenerabile. Se remarcă cercetările efectuate în ultima perioadă referitoare la utilizarea cu randamente sporite a energiei consumate în procesele de deshidratare, dar și utilizarea energiei provenite din surse regenerabile sau considerată un reziduu al altor procese tehnologice.

Produsele deshidratate au un volum micșorat, greutate mai mică, valoare energetică sporită, sunt ușor de preparat, realizează economii la păstrare și depozitare, sunt ușor de manipulat și transportat, dar pierd o parte din substantele aromatice și se distrug parțial unele vitamine.

Ansamblul de fenomene ce se produc în timpul uscării duce la concentrarea substanței uscate, reducerea volumului materiei prime folosite, creșterea valorii alimentare la unitatea de greutate și modificări fizico-chimice mai mult sau mai puțin profunde în starea membranelor și componentelor celulare, care se exteriorizează prin limitele capacității de rehidratare.

Una din cele mai simple metode de păstrare a calității fructelor și legumelor este conservarea prin uscare sau deshidratare. În timp ce uscarea se realizează pe baza transferului termic natural al apei din produsele vegetale către mediul exterior, deshidratarea presupune ca același transfer se realizează sub un control uman riguros, prin folosirea unor echipamente tehnice adecvate.

BIBLIOGRAFIE

[1] Arun S. Mujumdar si Sakamon Devahastin: "Principii fundamentale ale uscarii";

[2] Bacaoanu A.: "Operatii si utilaje in Industria Alimentara"- Editura tehnica: Iasi 1997;

[3] Bratu A.: "Operații și utilaje în industria chimică" Editura Tehnică București, 1970;

[4] Banu C.: "Manualul inginerului de industrie alimentară" Editura tehnică, București 1998 ;

[5] Ciulică Laura Georgiana C.: "Cercetări privind optimizarea procesului de mărunțire a legumelor și fructelor"; BRASOV, 2012 Universitatea Transilvania din Brasov;

[6] Hazi Gheorghe; Hazi Aneta: "Modelarea și optimizarea procesului de uscare". Editura Plumb, Bacău, 1999;

[7] Kasatkin A. G.: "Procese și aparate principale în tehnologia chimică", Editura Tehnică, București, 1963;

[8] Marin R.I. Andreea Lavinia: Teză de doctorat: "Cercetari privind optimizarea energetică a procesului de conservare prin sucare a fructelor și legumelor", Brașov 2012;

[9] Marinescu Ion, Brad Segal, Al. Georgescu, A. Ciobanu, M. Olaru, A. Hobincu: Tehnologii moderne în industria conservelor vegetale”, Editura Tehnică, București, 1976;

[10] Mihailov, I. A.: "Uscarea cu abur", Moscova, 1967;

[11] Murad Erol, Aurelian Crăciunescu*, Georgeta Haraga: "Uscatoare mobile pentru zona montana cu impact ecologic redus", Univ. POLITEHNICA București;

[12] Rasenescu L.: "Operatii si utilaje in Industria Alimentara", Vol II- – Editura tehnica Bucuresti 1972;

[13] Țane, N., Gaceu, L.: "Mașini, instalații și utilaje pentru produse de origine vegetală" Editura Universității „Transilvania” din Brașov, 2000;

[14] Țenu I., Gr. Marian: “Proiectarea și realizarea unui uscător universal pentru deshidratat fructe și legume” U.Ș.A.M.V. Iași Universitatea Agrară de Stat din Moldova;

[15] *** http://www.agenda.ro/o-metoda-naturala-de-conservare/ "Deshidratarea fuctelor si legumelor" 16. septembrie 2009

[16] *** https://zupernews.files.wordpress.com/2009/09/sanatate3.jpg ;

[17] *** http://ldp-gastro.ro/wp-content/uploads/2013/05/fructe-uscate2.jpg ;

[18] *** http://www.financiarul.ro/wp-content/uploads/Legume-deshidratate-web.jpg .