Přímý ohmický ohřev potravin
Ing. Jaromír Štancl
Vedoucí práce: Prof. Ing. Rudolf Žitný, CSc.
Abstrakt
Přímý ohmický ohřev je moderní metoda termického ošetření potravinářských látek. Teplo
je v ohřívané potravině generováno přímo průchodem elektrického proudu v důsledku
jejího elektrického odporu. Přednosti přímého ohmického ohřevu jsou jeho vysoká rychlost
a snadná možnost řízení a monitorování. Tyto vlastnosti předurčují nasazení této
technologie v aplikacích pasterizace a sterilizace potravin. Nasazení však stále komplikují
problémy spojené s touto technologií, jako např. doprovodné elektrochemické děje spojené s
korozí elektrod, nejasné příčiny tvorby úsad potraviny na elektrodách a nevyjasněné děje na
rozhranní potravina- elektroda. Cílem příspěvku je prezentovat dosud získané výsledky
výzkumu v oblasti přímého ohmického ohřevu tuhých a tekutých potravin, jako jsou: vliv
materiálu elektrod, vliv operačních parametrů, vliv napájení, přítlačného tlaku,
problematika tvorby úsad ad. Cílem práce je objasnit mechanismus tvorby úsad tekutých i
tuhých potravin v souvislosti s elektrochemickými ději, kvalitou povrchu elektrod a
operačních parametrů.
Klíčová slova
Přímý ohmický ohřev; koroze elektrod; pasterizace; sterilizace; ohřev potravin; přítlačný
tlak; úsady
1. Úvod
Cílem tepelných procesů v potravinářském průmyslu v oblasti sterilizace či pasterizace
potravin, je zajistit jejich mikrobiální bezpečnost a současně co nejvíce zachovat její nutriční
hodnoty. K zajištění mikrobiální bezpečnosti ošetřované potraviny je nutné zahřát potravinu
na pasterizační teplotu a zajistit požadovanou výdrž na této teplotě. Z hlediska zachování
kvality potraviny, která je v důsledku tepelného zpracování degradována (např. termická
denaturace vitamínů), je naopak požadována co nejmenší tepelná expozice potraviny. Je tedy
výhodnější zahřát potravinu na co nejvyšší teplotu (UHT), kdy lze významně snížit dobu
výdrže na teplotě – tím dojde k požadovanému ošetření z hlediska mikrobiální bezpečnosti
s minimálním narušením nutričních hodnot. Ovšem technická realizace aparátu, který by tyto
požadavky splnil, je užitím standardních metod problematická (používá se např. přímý vstřik
sterilní páry do tekuté potraviny atp.).
Přímý ohmický ohřev je technologie, která je díky svým vlastnostem vhodná k zajištění UHT
ošetření. Při přímém ohmickém ohřevu je teplo v ohřívané potravině generováno vlivem
průchodu elektrického proudu přímo elektricky vodivou potravinou v důsledku jejího
elektrického odporu. Výhodou této metody je velmi rychlý ohřev potraviny na vysokou
teplotu a rovněž jednoduchý způsob řízení ohřevu. Nevýhody jsou pak spojeny
s doprovodnými elektrochemickými ději, způsobujícími elektrochemickou korozi elektrod,
tvorbou úsad potraviny na elektrodách a nejasný vliv elektrického proudu na potravinu.
První patent průtočného pasterizačního zařízení se objevuje v USA již v roce 1897 – Jones
(1897). Metoda přímého ohmického ohřevu byla znovu objevena na konci 20. století, kdy se
stala předmětem četných studií - Stirling (1987); Skudder a Biss (1987); Zhang a Fryer
(1993); Zareifard et al. (2003); Icier a Ilicali (2005) a to v širokém spektru aplikací. Práce
Samaranayake a Sastry (2005), Amatore et al. (1998), Samaranayake et al. (2005) se zaměřily
na problém elektrochemické koroze během přímého ohmického ohřevu, Ayadi et al. (2004)
zase na problém tvorby úsad na elektrodách. V současné době však spousta otázek spojených
s přímým ohmickým ohřevem zůstává stále nezodpovězena, jako vliv materiálu a povrchu
elektrod, vliv napájecí frekvence a tvaru pulsů, děje na rozhranní potravina-elektroda a
příčiny tvorby úsad.
Možné konkrétní aplikace metody přímého ohmického ohřevu se nabízejí spíše
v průmyslovém měřítku při realizaci procesu UHT sterilizace. Další využití lze najít
v provozech typu fastfood (např. výroba hamburgerů) a díky své jednoduchosti i v oblasti
kosmického výzkumu při přípravě pokrmů přímo ve vhodných obalech.
2. Popis experimentů, použité materiály
Pro výzkum v oblasti přímého ohmického ohřevu byla sestavena laboratorní aparatura pro
přímý ohmický ohřev tuhých potravin a laboratorní aparatura pro přímý ohmický ohřev
tekutých potravin průtočně.
V rámci provedených experimentů byl zkoumán vliv materiálu elektrod a některých
operačních parametrů (počáteční hustota elektrického proudu, vstupní teplota látky, průtok
média) na tvorbu úsad při přímém ohmickém ohřevu mléka – Štancl a Žitný (2010a), vliv
kvality povrchu elektrod a vliv přítlačného tlaku, tloušťky vzorku a napájecího napětí a jeho
frekvence na rychlost ohřevu plátku sekané.
2.1. Sestavení aparatury pro průtočný přímý ohmický ohřev tekutých potravin
Tato aparatura je používána především ke studiu tvorby foulingu během přímého ohmického
ohřevu mléka. Aparatura se skládá s vlastního průtočného ohmického ohřívače, který je
tvořen tělesem, v němž je umístěna dvojice elektrod. Elektrody o rozměrech 220x30 mm
vytvářejí obdélníkový kanál, jímž protéká ohřívaná potravina. Elektrody jsou izolovány mimo
malou obdélníkovou část uprostřed ohřívače (aktivní plocha S = 0,0012 m2) z důvodu
stabilizace proudu a dosažení relativně vysokých hodnot hustoty elektrického proudu (okolo
J = 2500 A.m-2) i při použití malého laboratorního napájecího zdroje. Vzdálenost elektrod je
volena jako fixní 10 mm. Z důvodu relativně malého výkonu ohřívače je systém doplněn
temperovanou nádobou pro předehřev mléka na teplotu pasterizace. Měřeny jsou teploty na
vstupu a výstupu tekutiny z ohřívače, tepoty obou elektrod a teplota v temperanční nádrži.
Teploty jsou měřeny sondami Pt100, pomocí převodníku snímány měřící ústřednou Agillent
(Agillent inc., USA) do PC. Elektrické veličiny (napětí, proud a příkon) jsou měřeny
elektronickým wattmetrem ZES LMG95 (Zes Zimmer GmbH, Německo) a načítány do PC
přes rozhranní GPIB. Průtok je měřen indukčním průtokoměrem. Sestavení aparatury je
patrné z obrázku 1, na obrázku 2 je fotografie průtočného ohmického ohřívače. K zjištění
vlivu materiálu elektrody na rychlost tvorby úsad byly použity elektrody z nerezové oceli,
elektrody z nerezové oceli povlakované titan-nitridem a elektrody grafitové. Experimenty
byly prováděny pro 3 různé hodnoty průtoku tekutiny (ovládáno pomocí šoupěte), 3 různé
počáteční teploty tekutiny (65, 70 a 75 °C) a 3 různé počáteční hodnoty elektrického proudu.
Experiment byl ukončen při poklesu elektrického proudu pod 0,8 A, nebo po uplynutí 3h.
Ohřívanou látkou bylo konzumní mléko (Olma, ČR) ošetřené šetrnou pasterizací – objem 5 l
proudící v uzavřené smyčce. K napájení bylo použito střídavé napětí cca U = 24 V / 50 Hz.
Obr. 1 Sestavení aparatury pro průtočný přímý ohmický ohřev tekutých potravin
Obr. 2 Průtokový ohmický ohřívač pro průtočný přímý ohmický ohřev tekutých potravin
2.2. Sestavení aparatury pro přímý ohmický ohřev pevných potravin – vliv přítlačného
tlaku na rychlost ohřevu plátku sekané
Zařízení pro přímý ohmický ohřev se sestává z dvojice deskových elektrod z nerezové oceli.
První elektroda je pevně uchycena k přípravku, druhá elektroda je pohyblivá. Posuvný pohyb
elektrody je umožněn pohyblivým vozíkem umístěném na přípravku, jehož pohyb je ovládán
táhlem vedeným přes kladku. Na táhlo jsou zavěšována závaží, které zajistí požadovaný
přítlak elektrod k ohřívané potravině – viz obr. 3.
Generátor fcí
Wavetek
Zesilovač 2,4
kW
ΔU
Pohyblivá
elektroda
Vozík
Kladka
Pevná
elektroda
Závaží
DAQ Agillent
Neoptix Reflex
ohřívaná
potravina
Digitální
osciloskop
Obr. 3 Schéma aparatury pro přímý ohmický ohřev tuhých potravin
Vzorek tuhé potraviny (sekané) o rozměrech 20 x 20 mm a tloušťce h = 1 a 2 cm byl vložen
mezi elektrody a na táhlo bylo zavěšeno závaží. Teplota uvnitř vzorku potraviny byla měřena
optovláknovými snímači Reflex (Neoptix, Kanada) a to v geometrickém středu, u okraje a
mezi okrajem a středem vzorku. Elektrody byly napájeny běžným střídavým napětím 24 a 48
V. Pro napájení byla sestavena soustava, která umožňuje plynulé nastavení frekvence i tvar
napájecího napětí. Napájecí soustava byla tvořena generátorem signálu Wavetek 184
(Wavetek, USA), jehož výstupní signál byl přiveden na vstup signálu výkonového
audiozesilovače Dynacord SL2400 (Dynacord Gmbh, Německo). Zesílený výstupní signál
z audiozesilovače byl připojen přímo k elektrodám ohmického zařízení. Elektrické veličiny
byly měřeny elektronickým wattmetrem ZES LMG 95 (ZES Zimmer GmbH, Německo). Dále
byla snímána teplota obou elektrod pomocí nalepovacích termočlánků typu T. K zjišťování
tvaru napájecího napětí a jeho frekvence byl k elektrodám připojen digitální osciloskop.
Obr. 4 Přímý ohmický ohřev vzorku sekané během experimentu – vpravo sestava aparatury,
vlevo detail ohřívaného vzorku
Pro účely experimentů bylo dále nutno vyvinout recepturu zkoumaného materiálu – sekané a
vytvořit dostatečnou dávku vzorků. Cílem bylo mít k dispozici dostatek shodných vzorků
k provedení experimentů a vyloučit tak vliv neshodnosti šarží komerčních výrobků.
Receptura vycházela z tradičních receptů klasického českého pokrmu sekané, pro dosažení
vyšší homogenity však byl recept modifikován přidáním bramborového škrobu a hladké
mouky. Suroviny použité k přípravě vzorku: maso hovězí (70 % z masné složky), maso
vepřové – vepřová plec (30 % z masné složky), vejce, mléko, voda, cibule restovaná na tuku,
česnek, houska, hladká mouka, bramborový škrob, sůl, pepř černý, majoránka, polévkové
koření. Maso bylo pomleto, přidány ostatní suroviny a vše bylo důkladně promícháno. Hotová
směs byla ještě dále homogenizována a balena do sáčků po 0,5 kg a zmrazena.
Před prováděním experimentů byl vzorek rozmrazen (mikrovlnný ohřev 90W / 3min.) a 50
minut pečen, aby bylo dosaženo denaturace bílkovin v celém vzorku. Experimenty byly
prováděny až po vychladnutí vzorku na pokojovou teplotu.
Rozbor použitého materiálu a jeho termofyzikální parametry ukazuje následující tabulka:
Tab. 1 Rozbor vzorku sekané a jeho termofyzikální parametry (cp získáno z modelu na základě
složení vzorku pomocí nástroje CosTherm)
3. Shrnutí výsledků experimentů
3.1. vliv materiálu elektrod na tvorbu úsad při přímém ohmickém ohřevu mléka
Na obr. 5 je vidět typický průběh elektrického příkonu ohřívače na čase a v tabulce 1 jsou
uvedeny odpovídající doby s přibližně konstantním elektrickým příkonem (lag-fáze).
Obr. 5 Vliv hustoty elektrického proudu a materiálu elektrod na rychlost tvorby úsad mléka
na elektrodách
Tab. 2 Doby trvání lag-fáze pro různé materiály elektrod
tlg [s]
nerezová ocel
J=2000 A·m-2
J=2500 A·m-2
J=3030 A·m-2
2860
1340
165
tlg [s]
nerezová ocel s TiN
povlakem
4650
4770
820
tlg [s]
grafitová elektroda
10800
10800
Časový průběh elektrického příkonu lze rozdělit na 2 úseky – úsek s přibližně konstantním
elektrickým příkonem (lag-fáze) a úsek rychlého poklesu příkonu. Doba nástupu fáze
rychlého poklesu je ovlivněna operačními parametry (průtokem média, teplotou média a
proudovou hustotou. Získané výsledky ukazují silný vliv materiálu elektrod a významný vliv
proudové hustoty. Výsledky experimentů ukazují, že probíhající elektrochemická koroze
může být stejně důležitá, jako denaturace syrovátkových proteinů.
3.2. vliv kvality povrchu elektrod na tvorbu úsad při přímém ohmickém ohřevu mléka
Na obr. 6 je vidět průběh elektrického výkonu při ohřevu mléka průtočným přímým ohřevem
pro různé kvality povrchu elektrod. Byly použity elektrody s leštěným povrchem (modré
káry), brošeným povrchem (červený čtverec), povrchem s uměle vytvořenými hlubšími
rýhami vertikálně – kolmo k toku média (zelený trojúhelník) a horizontálně – rovnoběžně
s tokem média (žlutý kruh). Materiál elektrod byl nyní shodný – nerezová ocel 17 240.
Obr. 6 Vliv kvality povrchu nerezových elektrod na rychlost tvorby úsad mléka na elektrodách
Tab. 3 Doby trvání lag-fáze pro různé povrchy elektrod
Electrode
t85 [s]
Polished surf.
550
Grinded surf.
420
Vertical scratches Horiz. scratches
320
380
Experimetny vykazují dosti podobný průběh elektrického výkonu pro různé povrchy elektrod
a to na úrovni chyby měření. Z toho vyplývá, že singularity v elektrickém poli hrají pouze
velmi malou roli při tvorbě úsad během přímého ohmického ohřevu mléka. Mnohem
závažnější jsou tedy elektrochemické procesy, k nimž dochází na rozhranní elektroda –
potravina.
Obr. 7 Elektrody na konci experimentu
Obr. 8 Porovnání finální hmotnosti úsad na elektrodách na konci experimentu
3. 3. vliv přítlačného tlaku na rychlost ohřevu plátku sekané
V grafu na obrázku 9 je vidět časová závislost teploty v geometrickém středu plátku sekané
pro různé hodnoty přítlačného tlaku. Z obrázku 6 je vidět, že s rostoucím přítlačným tlakem
roste i rychlost ohřevu ale pouze do přítlaku p = 7,36 kPa. Při dalším zvyšování přítlaku na
elektrody se rychlost ohřevu mění - klesá a to v důsledku akumulace tuku na rozhranní
elektroda – vzorek, který je zvýšeným přítlakem vytlačen.
Obr. 9 Vliv přítlačného tlaku na rychlost ohřevu – teplota měřena v geometrickém středu
vzorku
Z výše uvedeného grafu je vidět, že rychlost ohřevu závisí na kvalitě kontaktu elektrody a
potraviny. Pro zatížení nad p = 7,36 kPa je již kontakt natolik dobrý, že další zvyšování
přítlaku již není nutné.
V experimentech prováděných na tuhých potravinách byla dále ověřena silná závislost na
tloušťce vzorku (tj. vzdálenosti obou elektrod), kdy se snižující se vzdáleností elektrod
rychlost ohřevu rapidně roste. Podobně roste rychlost ohřevu i se zvyšujícím se napájecím
napětím a rovněž i elektrické vodivosti vzorku.
K zajištění reprodukovatelnosti měřených dat byl každý experiment 3 – 4x opakován při
shodných podmínkách. Reprodukovatelnost měření byla přijatelná, nejčastěji ovlivněna
drobnými odchylkami v rozměrech vzorku v důsledku elastičnosti materiálu vzorku a rovněž
v důsledku jeho nehomogenity. Ukázka shody opakovaných měření je znázorněna na
následujícím obrázku – obr. 10. Směrodatné odchylky jednotlivých měření shrnuje následující
tab. 4.
Obr. 10 Časová závislost teploty v geometrickém středu vzorku pro první sérii experimentů
při přítlaku p=4,91 kPa
Tab. 4 Statistická zhodnocení experimentů
Veličina
Teplota v geometrickém středu vzorku
Výkon ohřevu P
Hmotnost vzorku h=20 mm
Hmotnost vzorku h=10 mm
Rozsah s
1,6 – 4,7 °C
2,02 – 3,15 W
s průměrná
3,88 °C
2,32 W
0,42 g
0,23 g
Následující graf (obr. 11) ukazuje průběh měrné elektrické vodivosti vzorku v závislosti na
teplotě. K zurčení měrné elektrické vodivosti vzorku byly použity změřené volt-ampérové
charakteristiky během experimentu na základě rovnice (1).
(1)
Obr. 11 Teplotní závislost měrné elektrické vodivosti κ vzorku pro různě volený přítlak
elektrod
Z obr. 11 je patrný téměř lineární průběh elektrické vodivosti v závislosti na teplotě – tedy
v použitém rozsahu Tcenter = 30 – 100 °C. Na průběh má významný vliv především teplota
uvnitř vzorku, ale také velikost přítlaku elektrody ke vzorku potraviny – vyšší přítlak
elektrody ke vzorku zlepšuje kontakt elektrody se vzorkem, a to do hodnoty přítlaku
p = 7,36 kPa. Pro vyšší hodnoty přítlaku dochází k určitému poklesu díky vylisování tuku a
jeho akumulaci na rozhranní elektroda – vzorek, což negativně ovlivní kvalitu kontaktu.
Měrná elektrická vodivost nabývala hodnot κ = 1,57 S.m-1 pro teplotu uvnitř vzorku 30 °C a
κ = 4,9 S.m-1 pro teplotu uvnitř vzorku 100 °C. Tyto vyšší hodnoty měrné elektrické vodivosti
vzorku jsou způsobeny obsahem soli ve vzorku.
Další graf na obr. 12 znázorňuje vliv napájecí frekvence pro sinusový průběh se střídou 1:1 na
časový průběh elektrického výkonu ohřevu. Experimenty byly provedeny s frekvencí
sinusového průběhu elektrického proudu f = 50 Hz až 10 kHz. Z grafu je vidět klesající trend
výkonu ohřevu s rostoucí frekvencí elektrického proudu. To je způsobeno
elektromagnetickými ději ve vodivé soustavě, kdy v důsledku tzv. skin-efektu (indukované
napětí je více vyvinuté ve střední části vodiče, než u okrajů vodiče, z toho vyplývá vyšší
hustota elektrického proudu v okrajových částech vodiče). Z tohoto důvodu ze zvyšující se
frekvencí elektrického proudu roste i elektrický odpor vodiče.
Obr. 12 Časová závislost elektrického výkonu P ohřevu pro různě volené frekvence
elektrického proudu
Aplikací vyšší fekvence elektrického proudu byl zaznamenán pozitivní vliv i na vlastní
ohřívaný vzorek. Při použití frekvence elektrického proudu 50 Hz pro ohřev vzorku, ohřátý
vzorek jednak vykazoval utvoření tmavší kůrky v místech styku s elektrodou, navíc docházelo
k tvorbě nápeku vzorku na elektrodu. Při zvýšení frekvence elektrického proudu na 10 kHz
bylo docíleno rovnoměrné barvy vzorku a celkové redukce nápeku vzorku na elektrodu – viz
následující fotografie – obr. 13.
Obr. 13 Srovnání výsledného produktu po ohřevu s frekvencí elektrického proudu 50 Hz a
10 kHz
4. Diskuze, návrh možností aplikace přímého ohmického v průmyslu
4.1 Singularity v elektrickém poli
V důsledku drsnosti povrchu elektrody (ostré hrany) mohou vznikat na ostrých hranách a
nerovnostech singularity v elektrickém poli, což může vést k lokálnímu přehřátí ohřívané
potraviny a tím i k aktivnější tvorbě nápeků potraviny na elektrody. Vliv singularit
elektrického pole při ohřevu kapalných potravin je předmětem současného výzkumu.
Z modelu, který byl publikován v časopise Štancl, Nový, Žitný (2008) je vidět, že projev
singularit je významný při hrubších rýhách větší hloubky, než v případě úrovně drsnosti
povrchu materiálu.
Ověření výše uvedeného matematického modelu bylo předmětem studie při přímém
ohmickém ohřevu mléka. V zařízení sloužící ke zkoumání tvorby foulingu při přímém
ohmickém ohřevu mléka byly provedeny experimenty s různými povrchy elektrod.
V experimentech byly použity elektrody z nerezové oceli s povrchem leštěným (nejkvalitnější
povrch), povrchem broušeným (simulace náhodných nerovností na úrovni drsnosti povrchu) a
uměle vytvořené hlubší rýhy a to ve směru toku a kolmo na směr toku.
Cílem těchto experimentů bylo určit vliv kvality povrchu na tvorbu foulingu, tedy vlastně do
jaké míry se projevuje v tomto procesu vliv singularit elektrického pole.
Z výsledků uvedených výše je vidět dosti podobný průběh elektrického výkonu pro všechny
experimenty. Nejmenší vliv singularit byl zaznamenán pro elektrody s leštěným povrchem.
Iniciace tvorby foulingu nastávala prioritně v místech utvořených rýh, což však může souviset
s nedostatečnou pasivací povrchu elektrody v místě vytvořené rýhy.
Vliv singularit v elektrickém poli na tvorbu foulingu mléka při přímém ohmickém ohřevu má
vliv na proces tvorby foulingu mléka, ale tento vliv je pouze minoritní vzhledem
k elektrochemickým dějům v soustavě elektroda-elektrolyt.
4.2 Elektrochemická koroze elektrod během ohřevu
Elektrochemické reakce v systému elektroda – elektrolyt (redoxní reakce a proces
elektrochemické koroze) začnou vznikat po připojení napájecího napětí. Následující rovnice,
které sumarizoval Assiry et al. (2006) popisují elektrochemickou korozi nerezové oceli:
1. Elektrolytický rozklad vody:
Katoda (C):
Anoda (A):
Celkově:
(1)
(2)
(3)
2. Koroze nerezové oceli:
Katoda (C):
Anoda (A):
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
Kov migrující z elektrody do ohřívané potraviny může být oxidován a tím iniciovat další
sekundární reakce. Např. Fe2+ nebo Fe3+ mohou působit jako katalyzátor. Následující obrázek
14 ukazuje fotografii elektrody po skončení fouling-experimentu při přímém ohmickém
ohřevu mléka, obr. 15 ukazuje elektrodu po zkušebním měření plátků uzenin, obr. 16 naopak
vlastní vzorek drůbeží sekané s patrným nápekem v místě připojení elektrody.
Obr. 14 Elektrody po experimentu tvorby úsad mléka
Obr. 15 Elektroda po ohřevu kousku uzeniny (nerez)
Obr. 16 Snímek vzorku sekané po skončení experimentu
Elektrochemickou korozi vznikající během ohřevu lze potlačit volbou velmi ušlechtilého
materiálu elektrody (zlato, platina), nebo volbou vhodného časového průběhu elektrického
proudu o frekvencích vyšších, než 50 Hz (řádově desítky kHz). Pozitivní efekt vyšší napájecí
frekvence je znám již delší dobu - Samaranayake and Sastry (2005), detailnější studie
prováděla Samaranayake et al. (2005).
K potlačení koroze elektrod byl v rámci výzkumu vyvinut nový napájecí zdroj, který umožní
rovněž i nastavení časového průběhu elektrického proudu vhodným časováním napěťových
pulsů – samotné pouhé zvýšení napájecí frekvence je nedostatečné. Nesprávnou volbou
časování lze naopak docílit i urychlení elektrochemické koroze. Napájecí zdroj je založen na
čtveřici MOSFET tranzistorů zapojených v plném mostu. Pro vlastní realizaci byl zakoupen
výkonový audiozesilovač, jehož koncový stupeň je právě tvořen výkonovými tranzistory
v můstkovém zapojení. Výhodou tohoto řešení je vestavěná ochrana proti přetížení a zničení
koncového stupně, nevýhoda je však v určitém zkreslení signálu vestavěným
předzesilovačem. Audiozesilovač je schopen pracovat do výstupní impedance 2 Ω, výstupní
výkon je až 2,4 kW, maximální výstupní napětí 90 V, maximální řídicí napětí 1V.
Zdrojem signálu, jímž je nastavován časový průběh elektrického proudu, je komerční
generátor funkcí WAVETEK, (Wavetek Inc., USA). Signál z generátoru je přiveden na vstup
audiosignálu výkonového audiozesilovače, elektrody ohřívače jsou připojeny přímo
k audiovýstupu tohoto zesilovače. Výstupní napětí je nastavováno kombinací velikostí
výstupní amplitudy generátoru signálu a zesílením vlastního zesilovače. Časový průběh
elektrického proudu je sledován prostřednictvím digitálního osciloskopu připojeného
k elektrodám ohmického ohřívače.
Obr. 12 časování průběhu elektrického proudu
4.3 Další pokračování výzkumu v oblasti přímého ohmického ohřevu
Ke splnění cílů a ověření výše uvedených předpokladů se předpokládá následující orientace
pokračovacích prací:
V oblasti přímého ohmického ohřevu tuhých potravin
Experimentálně byly ověřeny vlivy operačních parametrů při přímém ohmickém ohřevu
průmyslově vyráběného vzorku sekané, jejíž složení je sice známo, avšak není zcela přesně
definováno, i sekané vyrobené pro tento účel přesně dle určené receptury (přesně
definovaného složení). Experimentálně byl rovněž ověřen vliv frekvence elektrického proudu,
kde byl zjištěn vliv na výkon ohmického ohřívače – s rostoucí frekvencí výkon ohmického
ohřívače klesá. Dále bude použito nového napájecího zdroje tvořeného generátorem signálu a
výkonovým zesilovačem a provede se ověření pro přesně definovaný časový průběh
elektrického proudu s cílem nalézt takový průběh, který maximálně minimalizuje
elektrochemické korozní děje v potravině. K identifikaci bude využito laboratorních rozborů
na obsah typických prvků (Cr, Ni, Fe).
V oblasti ohmického ohřevu tekutých potravin
K ověření hypotéz publikovaných v dřívějších pracech byly prováděny foulingové
experimenty s elektrodami s různou kvalitou povrchu (leštěný povrch, broušený povrch,
umělé rýhy). Cílem bylo experimentálně ověřit vliv singularit elektrického pole na
mechanismus tvorby úsad a ověřit tak předpoklady získané na základě matematického
modelu.
Další plánované foulingové experimenty budou prováděny s nově vyvinutým napájecím
zdrojem, kde bude cílem, podobně jako u tuhých potravin, určit vliv časování průběhu
elektrického proudu na proces tvorby úsad.
5. Závěry
Provedené experimenty ukazují v případě tvorby úsad mléka na elektrodách silný vliv
materiálu elektrod a hustoty elektrického proudu. I při ohřevu tuhých potravin přímým
ohmickým ohřevem se objevuje kovový zápach ohřáté potraviny. Tyto výsledky ukazují na
vznikající elektrochemickou korozi elektrod během přímého ohmického ohřevu. Určité
potlačení koroze elektrod je možné vhodnou volbou časového průběhu elektrického proudu a
frekvence napájecího napětí (v jednotkách kHz). Význam vlivu singularit v elektrickém poli
při přímém ohmickém ohřevu hraje roli v procesu tvorby foulingu mléka na elektrodách,
avšak vzhledem k elektrochemickým procesům, je tento vliv pouze minoritní. Současné a
další práce se orientují na ověření vlivu časového průběhu elektrického pole na korozi
elektrod a mechanismus tvorby foulingu.
Symbolika
cp
Měrná tepelná vodivost vzorku
f
Frekvence elektrického proudu
h
Tloušťka vzorku
I
Elektrický proud
J
Hustota elektrického proudu
p
přítlak
P
Elektrický příkon
S
Plocha
t
procesní čas
tlg, t85 lag-fáze (doba trvání lag-fáze)
[J.kg-1.K-1]
[Hz]
[m]
[A]
[A.m2]
[Pa]
[W]
[m2]
[s]
[s]
T
Tcenter
u
U
κ
λ
ρ
[C]
[C]
[m.s1]
[V]
[S.m-1]
[W.m-1.K-1]
[kg.m-3]
Teplota
Teplota v geometrickém středu vzorku
rychlost tekutiny
Elektrické napětí
Měrná elektrická vodivost
Tepelná vodivost vzorku
Hustota vzorku
Literatura
Amatore, C., Berthou, M., & Hébert, S. (1998). Fundamental principles of electrochemical
ohmic heating of solutions. Journal of Electroanalytical Chemistry, 457(1-2), 191-203.
Assiry, A.M., Sastry, S.K., & Samaranayake, C.P. (2006). Influence of temperature, electrical
conductivity, power and pH on ascorbic acid degradation kinetics during ohmic heating using
stainless steel electrodes. Bioelectrochemistry, 68(1), 7-13.
Ayadi, M.A., Leuliet, J.C., Chopard, F., Berthou, M., & Lebouche, M. (2004). Continuous
ohmic heating unit under whey protein fouling. Innovative Food Science & Emerging
Technologies, 5(4), 465-473.
Icier, F., & Ilicali, C. (2005). Temperature dependent electrical conductivities of fruit purees
during ohmic heating. Food Research International, 38(10), 1135-1142.
Jong, P.d. (2004). Modelling and optimization of thermal processes in the dairy industry (2nd
ed). Netherlands Institute for Dairy Research, Netherlands.
Jones, F. (1897). Apparatus for Electrically Treating Liquids. Fernando Jones. United States
Patent Office. US Patent 592735 26.10.1897
Kubíček, J. (2008). Návrh zařízení pro přímý ohmický ohřev vybraných potravin. ČVUT,
fakulta strojní, Ústav procesní a zpracovatelské techniky. Diplomová práce.
Samaranayake, C.P., & Sastry, S.K. (2005). Electrode and pH effects on electrochemical
reactions during ohmic heating. Journal of Electroanalytical Chemistry, 577(1), 125-135.
Samaranayake, C.P., Sastry, S.K., & Zhang, Q.H. (2005). Pulsed ohmic heating — A novel
technique for minimization of electrochemical reactions during processing. Journal of Food
Science, 70(8), 460-465.
Skudder, P., & Biss, C. (1987). Aseptic processing of food products using ohmic heating. The
Chemical Engineer, 433, 26-28.
Stancl, J., Novy, M., & Zitny, R. (2008). Temperature non-uniformities and risk of
overheating at a direct ohmic heating of foods. Bulletin of Applied Mechanics, North
America, 4, dec. 2008. Available at: http://bulletin-am.cz/index.php/vam/article/view/92
Stancl, J., Zitny, R. (2010a). Milk fouling at direkt ohmic heating. Journal of Food
Engineering, 99, 437-444
Stancl, J., Zitny, R. (2010b). Přímý ohmický ohřev potravin. In Sborník z konference
Studentské tvůrčí činnosti STČ 2010, FS ČVUT v Praze, CZ.
Stirling, R. (1987). Ohmic heating—a new process for the food industry. Power Engineering
Journal, 6, 365-371.
Toyoda, I.,& Fryer, P.J. (1994). A computational model for reaction and mass transfer in
fouling from whey protein solutions. In Fouling and cleaning in food processing, Jesus
College Cambridge, UK.
Trpišovský, J. (2006). Návrh technologie přímého elektrického ohřevu kusových potravin.
ČVUT, fakulta strojní, Ústav procesní a zpracovatelské techniky. Diplomová práce.
Zareifard, M.R., Ramaswamy, H.S., Trigui, M., & Marcotte, M (2003). Ohmic heating
behaviour and electrical conductivity of two-phase food systems. Innovative Food Science
and Emerging Technologies, 4(1), 45-55.
Zhang, L., & Fryer, P.J. (1993). Models for the electrical heating of solid-liquid food
mixtures. Chemical Engineering Science, 48(4), 633-642.
Download

Přímý ohmický ohřev potravin