Operații unitare în industria alimentară

Introducere

Industriile alimentare fac parte din categoria industriilor de proces, respectiv sunt bazate pe procese tehnologice, în urma cărora materiile prime naturale, artificiale sau sintetice sunt transformate în produse finite comercializate sau în semifabricate utilizate drept materii prime în alte ramuri prelucătoare. Un proces tehnologic, oricât de complex, poate fi descompus într-o succesiune de procese componente distincte, în care materialele intrate suferă o serie de modificări. În funcție de natura modificărilor suferite, procesele componente ale unui proces tehnologic pot fi clasificate în procese de natură mecanică, fizică, chimică, biochimică. Este important de știut că nu se poate face o delimitare netă între procesele biochimice și cele pur chimice, clasificare reactoare-bioreactoare fiind oarecum artificială.

Procesul tehnologic reprezintă ansamblul proceselor mecanice, fizice, chimice și biochimice componente, concomitente sau ordonate în timp, necesare pentru obținerea unui anumit produs. Ordonarea liniară, reprezintă grafic sau numai mental a acestor procese de la intrarea în sistem a materiilor prime și până la ieșirea din sistem a produselor finite poartă denumirea de flux tehnologic. Reprezentarea grafică a proceselor care alcătuiesc fluxul tehnologic poartă denumirea de schemă tehnologică a procesului tehnologic. Aceasta are la bază principiul cutiei negre, fiecare proces fiind reprezentat printr-un dreptunghi în care intră și din care ies fluxuri de materiale și/sau energie. Dacă în locul proceselor componente sunt schițate utilajele cu care se realizează operațiile procesului tehnologic, se obține schema instalației sau schița tehnologică a instalației. În aceasta, utilajele sunt reprezentate fie prin simboluri convenționale, fie prin forma lor caracteristică simplificată. Nu există reguli generale pentru alcătuirea unei schițe tehnologice: în unele cazuri se preferă schițe simple, în altele, dimpotrivă, schița trebuie să fie cât mai completă, conținând și valorile prescrise ale parametrilor tehnologici principali (debite, concentrații, temperaturi, presiuni), respectiv tegimul tehnologic al instalației schițate.

Datorită diversității proceselor mecanice, fizice și chimice componente ale unui proces tehnologic, analiza proceselor trebuie efectuată utilizând metoda proceselor unitare. Procesele fizice, mecanice și fizico-mecanice unitare se mai numesc și operații unitare. Metoda operațiilor unitare a fost inițiată de către profesorul George E. Davis, părintele ingineriei chimice, în anul 1887. În 1880 el introduce pentru prima dată termenul de “inginer chimist”, definit atunci drept “o persoană care posedă cunoștnțe de chimie și de mecanică și care aplică aceste cunoștințe la realizarea transformărilor chimice în industrie”. În 1924, Institution of Chemical Engineers adoptă o definiție a inginerului chimist mai apropiată de concepția actuală: “inginerul chimist este un specialist experimentat în proiectarea, construcția și operarea fabricilor în care au loc transformări de stare și de compoziție.” Datorită îmbogățirii ingineriei chimice cu noi ramuri, se multiplică și activitățile inginerului chimist.

Inginerul de industrie alimentară este un inginer chimist specializat în domeniul conceperii, producerii, prelucrării, dezvoltării și optimizării produselor alimentare, precum și în domeniul conceperii, dezvoltării și optimizării proceselor și utilajelor care servesc la fabricarea produselor alimentare.

Cele câteva zeci de operații unitare care alcătuiesc marea majoritate a fazelor proceselor tehnologice din industriile de proces au la bază trei procese fundamentale principale: transferul de impuls (moment, cantitate de mișcare), transferul de căldură (de energie termică), transferul de masă (cantitate de substanță). Pe lângă acestea, într-un proces tehnologic există și o serie de operații de natură mecanică: depozitarea și transportul materialelor solide, dozarea materialelor granulare, mărunțirea și clasarea (cernerea) materialelor solide.

Distilarea si rectificarea

Distilarea este operația de separare a componenților unui amestec omogen de lichide, pe baza diferenței de volatilitate a componenților. Operația de distilare este o operație dublă, compusă din:

– Fierberea partiala a amestecului;

– Condensarea vaporilor.

In rectificare, perechea de operații (fierbere – condensare) se repetă de mai multe ori. RECTIFICAREA = DISTILARE REPETATĂ.

Separarea prin distilare este cu atât mai ușoară și mai completă, cu cât diferența dintre volatilitățile componenților este mai mare (cu cât raportul volatilităților este mai depărtat de unitate).

Separarea și condițiile separării depind de relațiile dintre proprietățile fazei lichide și a fazei de vapori ale sistemului (echilibrul lichid – vapori).

Variante ale operației de distilare:

– Distilarea simplă;

– Distilarea fracționată;

– Antrenarea cu vapori;

– Rectificarea;

– Distilarea azeotropă;

– Distilarea extractivă;

– Distilarea adsorbtivă;

– Distilarea moleculară.

Prin fierbere, un amestec lichid, omogen, multicomponent, degajă vapori.

Datorită presiunilor de vapori diferite ale componenților, compoziția fazei de vapori este diferită de compoziția fazei lichide din care provine.

În timpul fierberii, vaporii degajați sunt, în general, mai bogați în componenți ușor volatili, faza lichidă îmbogățindu-se în componenți greu volatili.

În cazul unui amestec binar: în faza de vapori trece preponderent componentul cu temperatura de fierbere (TF) mai mica = componentul ușor volatil; componentul cu TF mai mare = componentul greu volatil, se concentrează preponderent în faza lichidă. Vaporii scoși în afara spațiului de degajare și condensați într-un condensator de suprafață = DISTILAT.

Lichidul nevaporizat din aparatul de fierbere = REZIDUU.