Materiale Pentru Echipamente Din Industria Alimentară [PDF]

Zitiervorschau

Separator centrifugal de lapte UNIVERSITATEA ŞTEFAN CEL MARE DIN SUCEAVA FACULTATEA DE INGINERIE ALIMENTARĂ DEPARTAMENTUL DE TEHNOLOGII ALIMENTARE, SIGURANŢA PRODUCŢIEI ALIMENTARE ŞI A MEDIULUI

MATERIALE PENTRU ECHIPAMENTE DIN INDUSTRIA ALIMENTARĂ -PROIECT-

Cadru didactic: Şef lucrări dr. ing. Silviu-Gabriel STROE

Student: Mantea Ionela-Claudia Program de studii: CEPA Anul: III

SUCEAVA, 2016 Page 1

Separator centrifugal de lapte

TEMĂ: Studierea problematicii globale privind influența materialelor pentru echipamentele din industria alimentară asupra calității finale a produselor alimentare

Page 2

Separator centrifugal de lapte CUPRINS INTRODUCERE ............................................................................................................................ 5 ISTORIC ......................................................................................................................................... 6 CAPITOLUL I ................................................................................................................................ 7 DENTIFICAREA PRINCIPALELOR TIPURI DE MATERIALE DIN CARE ESTE REALIZAT UTILAJUL ................................................................................................................. 7 1.1 Reglementări la nivel internațional privind materialele şi obiectele destinate să vină în contact cu produsele alimentare ................................................................................................. 7 1.2 Principalele materiale utilizate in industria laptelui la realizare utilajelor ........................ 8 1.3 Aplicabilitatea oțelurilor inoxidabile în industria alimentară și cea a lactatelor .............. 11 CAPITOLUL II IDENTIFICAREA CONDIȚIILOR DE LUCRU.............................................. 17 CAPITOLUL III ........................................................................................................................... 19 IDENTIFICAREA FENOMENELOR DE LA INTERFAȚA MATERIAL MEDIU ALIMENTAR ............................................................................................................................... 19 3.1 Legile lui Fick (legile difuziei) ............................................................................................ 19 3.2 Migrarea ionilor metalici din oțel în mediul alimentar ...................................................... 21 3.3 Procesul de coroziune a materialelor ................................................................................. 22 3.4 Mecanismul formării peliculelor în timpul coroziunii ........................................................ 25 3.5 Coroziunea oțelurilor inoxidabile ....................................................................................... 26 CAPITOLUL IV ........................................................................................................................... 27 TEHNICI DE TESTARE LA COROZIUNE A MATERIALELOR METALICE ..................... 27 4.1 Tehnici de analiză a materialelor la corziune .................................................................... 27 4.1.1 Tehnici potențiodinamice ............................................................................................. 27 4.1.2 Tehnici potențiostatice .................................................................................................. 29 4.1.3 Tehnici fizico-chimice pentru evaluarea comportării la coroziune ............................. 30 CAPITOLUL V ............................................................................................................................ 31 METODE ANALITICE DE CARACTERIZARE A COMPORTĂRII LA COROZIUNE A MATERIALELOR ....................................................................................................................... 31 5.1 Spectrometria de absorbție atomică(AAS) .......................................................................... 31 5.1.1 Cercetare privind posibilele contaminări cu metale toxice ale laptelui praf în timpul procesului de productie- Institutul de chimie, Universitatea Federal Fluminense, Niteroi, RJ, din Brazilia, martie 2014 ....................................................................................................... 32 Page 3

Separator centrifugal de lapte 5.1.2 Cercetare privind nivelul de metale (Cd, Pb, Cu și Fe) în laptele vacilor, produsele lactate și ouăle găinilor din West Bank, Palestine- Deparatamentul de Biologie și Biochimie Universitea Birzeit, P. O. Box 14, West Bank-Palestine ....................................................... 34 5.1.3 Cercetare privind ioni ai metalelor grele în probele de lapte colectate de la animale hrănite cu furaje irigate cu efluenții orașului – Departamentul de Chimie al Universității Gomal- Dera Ismail Khan, Pakistan ...................................................................................... 36 5.2 Spectroscopia de masă cu plasmă cuplată indusctiv (ICP- MS) ........................................ 38 5.2.1 Cercetare -Utilizarea spectrometriei de masă cu plasmă cuplată inductiv (ICP-MS) pentru-Determinarea elementelor toxice și esențiale în diferite tipuri de probe de produse alimentare- Universitatea Babeș-Bolyai, 400292 Cluj-Napoca, România ............................ 39 5.4 Microscopia electronică cu scanare SEM: ......................................................................... 41 5.5.Încercarea la coroziune în ceața salină .............................................................................. 42 5.6 Criterii de bază în protecția anticorozivă ........................................................................... 43 5.7

Metode anticorozive a materialelor metalice................................................................. 44

BIBLIOGRAFIE ........................................................................................................................... 46

Page 4

Separator centrifugal de lapte INTRODUCERE Știința interdisciplinară care studiază și proiectează materialele poartă numele de materiologie, prin materiale înțelegându-se acele materii prime sau semifabricate care sunt destinate obținerii de bunuri materiale. Industriile alimentare fac parte din categoria industriilor de process, respective sunt bazate pe procese tehnologice, în urma cărora materiile prime naturale, artificiale sau sintetice sunt transformate în produse finite comercializabile sau în semifabricate utilizate drept materii prime în alte ramuri prelucrătoare. Un proces tehnologic, oricât de complex, poate fi descompus într-o succesiune de procese distincte, în care materialele intrate suferă o serie de modificări. 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, clasificarea reactoare- bioreactoare fiind oarecum artificială [Ga, 01]. Utilajele din industria alimentară şi alimentaţie publică sunt maşini de lucru utilizate pentru efectuarea unor operaţiuni diversificate în cadrul procesului de producţie. Pentru siguranța alimentelor o mare importanță o are și materialor din care este realizat utilajul, mai ales componentele care intră în contact cu alimentrul, deoarece substanțele chimice nesigure nu trebuie să migreze din material în aliment. Materialele pot fi caracterizate prin structură (modul de alcătuire din particule, organizarea internă a acestora) și prin proprietăți. La temperaturi și presiuni obișnuite cele mai multe materiale se regăsesc în stare solidă, aceasta fiind o stare condensată a materiei. Starea condensată este caracterizată prin interacțiuni atomice suficient de puternice pentru a conferi materialului un volum definit. Materialele folosite în construcţia şi exploatarea utilajelor tehnologice sunt în general materiale metalice şi nemetalice. Pe lângă acestea, în exploatarea utilajelor se mai folosesc combustibilii şi lubrifianţii [Ro, 14]. În industria alimentară un criteriu important este comportarea materialelor în contact cu medii agresive din punct de vedere chimic, cum ar fi în industria alimentară și chimică. În alegerea materialelor din industria laptelui trebuie să se țină cont de condițiile de lucru cum ar fi: temperatură, pH, timp etc. Materialele din industria alimentară trebuie să prezinte o stabilitate chimică deosebită (rezistență mare la oxidare și coroziune pentru a nu modifica caracteristicile alimentelor, băuturilor etc.). Instalațiile din industria laptelui se execută în mod curent din table, țevi trase sau laminate, toate lustruite, din oțeluri inoxidabile austenitice aliate cu Cr-Ni, Cr-Ni-Mo stabilizate sau nu cu titan sau niobiu. Pentru instalațiile de producție sau transport al produselor alimentare, Page 5

Separator centrifugal de lapte când produsele vin în contact un timp limitat cu instalațiile, se pot folosi și oțelri inoxidabile feritice aliate cu Al-Cr, Ti-Mo-Cr, Mo-Cr sau aliate numai cu crom. Când contactul dinre produsul alimentar este îndelungat (stocare, producție etc.), se vor folosi numai oțeluri inoxidabile austenitice cu molibden și titan care au stabilitate chimică superioară [Po, 97].

ISTORIC Oțelurile inoxidabile au fost inventate de Krupp Stahl în 1912 și Richard J. Choulet în 1997. Oțelurile inoxidabile sunt aliaje de fier în care se adaugă mici cantități de carbon în compoziție. Pe lângă asta, oțelul inoxidabil conține în jur de 10,5% crom care formează un strat oxidant subțire, transparent și durabil , protector care contribuie la caracteristica sa, rezistența la coroziune. Rezistența la coroziune a oțelului și stabilitatea stratului pasivat crește odată cu creșterea cromului din aliaj. Acest strat protector de oxid se vindecă singur, indiferent de cât de multă suprafață este îndepărtată. Oțelul este și el rezistent la coroziune [22]. În contrast cu cazurile oțelurilor din carbon sau dintr-un aliaj subțire sunt protejate de coroziune prin straturile metalice precum cele din zinc sau din cadmiu sau prin straturile organice precum cele de vopsea (Technical Handbook of Stainless Steels, 2008). Rezistența la coroziune a oțelurilor depinde de asemenea de variabile metalurgice și de procesare. Deși oțelul inoxidabil ar putea fi mai scump decât alte metale cu caracteristici similare mecanice, este folosit mai des deoarece este cunoscut faptul că îmbunătățește rezistența la coroziune. Prezența cromului (16-28%) și nichelului (3,5-32%) și un a conținutului mic de carbon (de obicei mai mic de 0,1%) asigură o structură stabilă austenică pe toată gama de temperatură (de la temperatura de solidificare la cea a camerei). (W. Ozgowicz & A. Kurc, 2009)[22]. Un metalurg englez la începutul anului 1913 care lucra la un proiect pentru a îmbunătăți butoaiele de pușcă a descoperit accidental că dacă adaugi chrom în oțel cu un nivel mic de carbon, acesta este mai rezistent. Prima aplicație a acestor oțeluri inoxidabile a fost în fabricarea tacâmurilor în care înainte se folosea oțel cu carbon și care a fost înlocuit cu oțeluri inoxidabile noi . Printre aliajele oțel – bază investigate se află aliajele fier-chrom-nickel cu un conținut ridicat în chrom. S-a descoperit că specimenele de aliaje cu mai mult de 20% Cr nu rugineau în laborator timp de mult timp. S-a conclus așadar că este necesară o cantitate de cel puțin 20% chrom pentru ca materialul să fie rezistent la oxidare sau scalare. Acesta a fost punctul de începere a dezvoltării oțelelor rezistente la căldură aplicabile în industriile alimentare, chimice, a lactatelor, a băuturilor, a procesării bio și cea farmaceutică [25].

Page 6

Separator centrifugal de lapte CAPITOLUL I IDENTIFICAREA PRINCIPALELOR TIPURI DE MATERIALE DIN CARE ESTE REALIZAT UTILAJUL 1.1 Reglementări la nivel internațional privind materialele şi obiectele destinate să vină în contact cu produsele alimentare REGULAMENTUL (CE) nr. 1935/2004 AL PARLAMENTULUI EUROPEAN ŞI AL CONSILIULUI din 27 octombrie 2004 HG 1146/2006 privind cerințele minime de securitate și sănătate pentru utilizarea în muncă de către lucrători a echipamentelor de muncă, definește echipamentul de muncă ca fiind: Orice utilaj, aparat, instrument sau instalație folosită în cadrul procesului de muncă. Hotărârea de Guvern nr. 1029 din 3 septembrie 2008 privind condițiile introducerii pe piață a mașinilor prin care se stabilesc condițiile introducerii pe piață a mașinilor, definește mașina ca fiind: Ansamblul de piese sau organe unite între ele, din care cel putin una este mobilă, după caz, ansamblul de piese de acțiune, circuite de acționare și de putere și altele, asociate în mod solitar, în vederea execuției unei anumite aplicații.

Directiva 89/109/CEE a Consiliului din 21 decembrie 1988 de apropiere a legislaţiilor statelor membre privind materialele şi obiectele destinate să vină în contact cu produsele alimentare

Materialele care intră în contact cu alimentele, să nu transfere substanțe care întră în compoziția lor în cantități care ar putea - să pericliteze sănătatea oamenilor -să producă o modificare inacceptabilă a compiziției produselor alimentare -sa producă o alterare a caracteristicilor organoleptice a acestora.

Page 7

Separator centrifugal de lapte

Materialele din care sunt realizate utilajele să nu cauzeze modificări ale compoziției sau ale caracteristicilor organoleptice ale produselor alimentare.

[1]. 1.2 Principalele materiale utilizate in industria laptelui la realizare utilajelor Gama materialelor folosite în industria constructoare de maşini este foarte bogată şi variată. Întrucât de alegerea materialului depinde de tehnologia de execuţie şi îndeplinirea condiţiilor cerute organelor de maşini, se impune ca această alegere să se facă după o analiză atentă, sub toate aspectele, a avantajelor şi dezavantajelor fiecărei soluţii posibile. Notiunea de “material”este des întâlnită în domeniul știintelor inginerești și are următorul înțeles : o substanță folosită în producție și în prelucrare. știința materialelor este o ramură a știintelor tehnice care studiază raportul dintre sinteza, structura și proprietățile materialelor de uz ingineresc[7].

Ingineria materialelor studiază relația dintre structura materialului și “cei 3 P” – proprietăți; performante; procese – simbolizate schematic sub forma unui tetraedru [7].

Page 8

Separator centrifugal de lapte fonte feroase

oteluri

Materiale

metalice

bronzuri alame neferoase aliaje din aluminiu materiale plastice magneziu ș.a

nemetalice

de tip elastomer materiale sticloase materiale fibroase

Figura 1.1 Clasificarea materialelor folosite pentru construcția de utilaje

Microstructura materialelor se defineste ca descrierea microscopică a fiecarui constituent dintr-un material. Domeniul de măsurare este între 1 – 100 μm.

Figura nr.1.2.Tipuri de structuri de materiale : a) otel – 1 mm; b) aliaj de Al-Si la 100 μm; c) polietilena (PE) la 200 nm [7]

Page 9

Separator centrifugal de lapte Există trei clase de oțeluri inoxidabile: Oțeluri inoxidabile austenitice ( seria 300 – 304 si 316 ) – cea mai des folosită, conține 0,15 % carbon – un minim 16 % crom și nichel sau mangan care mențin structura austenitică la o gamă largă de temperaturi. O compoziție uzuală este 18 % crom si 10 % nichel, folosită pentru tacâmuri. Conținutul ridicat de oțel austenitic mărește prețul acestora. Versiuni cu mai puțin carbon, ca 316 L sau 304 L sunt folosite pentru a evita probleme de coroziune cauzate de sudură. L indicâ faptul câ conținutul de carbon din aliat este sub 0,03 % reducând efectul de sensitizare înregistrat în momentul sudurii la temperaturi înalte. Oțeluri inoxidabile feritice ( cel mai des 430 ) are proprietăți inginerești mai bune decât cel austenitic, dar are o rezistență mai scăzută la coroziune, datorită conținutului scăzut de crom și nichel. De obicei este mai ieftin , pentru că conține între 10,5 - 27 % crom și puțin nichel. Otelul inoxidabil martensitic nu este rezistent la coroziune ca celelalte două, dar este foarte puternic și greu de mașinat, putând fi călit prin tratament termic. Oțelul martensitic conține crom (12 – 14 %), nichel (2 %) – fiind magnetic [2]. Mărcile de materiale inoxidabile sunt simbolizate, conform standardelor naţionale, în mod diferit. Tabelul oferă un ajutor pentru corespondenţa simbolizării materialelor după standardele naţionale din ţara noastră şi normativele ISO. Mărcile de materiale recomandate şi mai răspândite în comerţ, conform DIN 17007, sunt prezentate mai jos cu cifre îngroşate, iar mărcile de materiale mai puţin solicitate sunt înşirate cu cifre neîngroşate. Tabel nr. 1.1 Mărcile materialelor conform standardelor naționale

FERITICE

1.4000; 1.4002; 1.4016; 1.4104; 1.4105; 1.4113; 1.4509; 1.4510; 1.4511; 1.4512; 1.4522; 1.4575

MARTENSITICE

1.4006; 1.4024; 1.4028; 1.4057; 1.4109; 1.4112; 1.4116; 1.4120; 1.4122; 1.4125; 1.4313; 1.4418; 1.4542

FERITOMARTENSITICE

1.4021; 1.4034

FERITOAUSTENITICE

1.4362; 1.4460; 1.4462

AUSTENITICE Cr-Ni

1.4301; 1.4303; 1.4305; 1.4306; 1.4311; 1.4315; 1.4541; 1.4550

AUDSTENITICE CR-NI-MO

1.4401; 1.4404; 1.4406; 1.4429; 1.4435; 1.4436; 1.4438; 1.4439; 1.4465; 1.4539; 1.4561; 1.4563; 1.4565 S; 1.4571 [3].

Page 10

Separator centrifugal de lapte 1.3 Aplicabilitatea oțelurilor inoxidabile în industria alimentară și cea a lactatelor Oțelurile inoxidabile au câteva dintre cele mai potrivite caracteristici ale materialelor de construcție pentru echipamentele de alimentație. Este cel mai folosit material care intră în contact direct cu alimentele și care se găsește în industrie. În condiții speciale de coroziune, precum manipularea alimentelor cu fluide acide sau a alimentelor care conțin oțele inoxidabile SO2, AISI 316 sau 316L ar trebui să fie folosit, și nu AISI 302 sau AISI 304. Oțelul inoxidabil AISI 302 este folosit pentru a îmbunătăți aspectul extern al echipamentelor de alimentație, dar nu în cazul echipamentelor care intră în contact cu alimentul sau cu agenții corozivi [25]. Oțelul inoxidabil AISI 304 este cel mai folosit în general pentru a oferi mai multă putere. Există șase motive principale pentru care oțelurile inoxidabile sunt folosite în industria alimentară și în cea a lactatelor: rezistența la coroziune, durabilitatea, modul ușor de a le crea, rezistența la căldură, protecția gustului și a culorii și ușurința de curățare. Rezistența la coroziune și ușurința de curățare sunt foarte importante când vine vorba de igiena alimentelor. Oțelurile inoxidabile austenitice ar trebui să fie folosite mai des în aplicațiile alimentare și lactate deoarece este cel care rezistă cel mai mult la coroziune și cel mai stabil dintre toate [25]. În figura de mai jos este prezentată o clasificare a materialelor care se folosesc la confecționare utilajelor din industria alimentară. Specificare AISI

C %

Si %

Mn %

Cr %

301

0,07

1,0

2,0

304

0.07

1.0

2.0

17,0 19,0 17.0 19.0

316

0.07

1.0

2.0

16.5 18.5

316 L

0.03

1.0

2.0

316Ti

0.08

409 441

Mo %

Ni %

Duritate [HB]

Rm [MPa]

8.5 10,5 8.5 10.5

235

550 700 550 750

2.0 2.5

10.5 13.5

245 270

550 700

16.5 18.5

2.0 2.5

11.0 14.0

225 270

550 700

1.0

16.5 18.5

2.0 2.5

10.5 13.5

270

540 690

0.08

1.0

-

-

-

0.03

1.0

10.5 12.5 17.5 19.5

-

-

-

390 560 420 600

235

Proprietăți și domenii de aplicare

Medii cu apă, alimente, acizi carbonici, în general până la pH 4,5, fără clor. Rezistență mai bună decăt grupa anterioară. Se recomandă pentru instalaţii industria chimică, a hârtiei respectiv la un conţinut mai ridicat de clor. Sisteme de eşapare. Componente sudate ale instalaţiilor, în locuri expuse Page 11

Separator centrifugal de lapte acţiunii acizilor slabi şi bazelor [3].

Utilajele din industria laptelui sunt confectionate în cele mai multe cazuri din urmâtoarele materiale:  

Oțeluri inoxidabile austenitic -seria AISI 300- ( AISI 301, AISI 304, AISI 316, AISI 316L) Oțeluri inoxidabile feritic -seria AISI 400- ( AISI 409, AISI 410, AISI 430)

Procesul tehnologic de fabricare a laptelui de consum trebuie să asigure obținerea unui produs „gata de consum”, fiind pasteurizat şi normalizat la un conținut de grăsime constant. Pentru separarea amestecurilor eterogene lichid-lichid (emulsii) se folosesc centrifugele cu tobă cilindrică și talere conice cu orificii. Separarea urmărește divizarea amestecului în două faze cu densități apropiate, acest proces este redat în schema tehnologică a laptelui.

Page 12

Separator centrifugal de lapte

Figura nr.1.2. Schema tehnologică de obținere a smântânii

Page 13

Separator centrifugal de lapte Separarea urmărește divizarea amestecului în două faze cu densități apropiate. În figura de mai jos este prezentat principiul de funcționare al unui separtor centrifugal de lapte. LAPTE INTEGRAL

LAPTE SMÂNTÂNIT

Figura nr.1.3 Principiul de funcționare a unui separator centrifugal de lapte 1 – pâlnie de alimentare; 2 -tobă; 3 – talere; 4 – colector de lapte smantanit; 5 – colector de smântână; 6 – conductă evacuare smântână; 7 – conductă evacuare lapte smântânit; 8 – robinet reglare; 9 – ax antrenare tobă; 10 – motor electric; 11 – dispozitiv imobilizare tobă; 12 – dispozitiv frânare tobă; 13 – capac protecţie; 14 – baterie.

Page 14

Separator centrifugal de lapte Componentele separatorului care intră în contact direct cu laptele sunt urmâtoarele : 1-pâlnia de alimentare, 2-tobă, 3-taler central de alimentare, 4-talere curente, 5-taler superior, 6-7- racorduri de evacuare, 8-robinet reglare.

Figura nr. 1.4 Părțile componente ale separatorului care intră în contact direct cu produsul

Piesele utilajului care intră în contact cu produsul trebuie să fie confecționate dintr-un anumit material care să prezinte o stabilitate chimică deosebită la oxidare și coroziune, pentru a nu reacționa cu produsul supus procesului. Pâlnia de alimentare (1), talerul central de alimentare (3), și talerul curent și superior (4-5) sunt confecționate din oțel inoxidabil austenitic seria AISI 304. Racordurile de evacuare (6,7) sunt realizate tot din oțel inoxidabil austenitic seria AISI 316. Oțelurile sunt aliaje pe bază de fier, cu un conţinut obligatoriu de crom de minim 12% şi caracterizate de un grad sporit al rezistenţei la coroziune (în conformitate cu standardele europene EN10088). În componenţa oţelurilor inoxidabile intră şi alte elemente aliate: carbon, nichel, siliciu, fosfor, sulf, mangan, cobalt, titaniu. Separatorul este confecționat din clasa oțeluri austenitice serile AISI 304 și AISI 316. Compoziția chimică a celor două oțeluri inoxidabile folosite este prezentă în următorul tabel:

Page 15

Separator centrifugal de lapte Tabel nr 1.1 Compoziția chimică a oțelurilor austenitice

Specificare AISI

C %

Si %

Mn %

Cr %

304

0.07

1.0

2.0

17.0 19.0

316

0.07

1.0

2.0

16.5 18.5

Ni %

Duritate [HB]

Rm [MPa]

Proprietăți și domenii de aplicare

8.5 10.5

235

550 750

10.5 13.5

245 270

550 700

Medii cu apă, alimente, acizi carbonici, în general până la pH 4,5, fără clor. Rezistență mai bună decăt grupa anterioară.

Mo %

2.0 2.5

3.

Densitate La 20 C Kg/dm3 7.9

Caracteristici fizice AISI 304 Modul de elasticitate Conductivitate termică La 20 C La 200 C La 400 C GPa W/ mK 200 186 172 15

Temperatura T C Coeficientul de dilatare termică între 20 C și T

100 16.0

200 17.0

300 17.0

Căldură specifică

Rezistivitate Electric[

J/kgK 500

Ωmm2 /m 0.73

400 18.0

500 18.0

CONCLUZII: Materialele utilizate în industria lactatelor sunt oțelurile inoxidabile austetinice deoarece prezintă rezistență la coroziune, dar mai sunt și alese pentru realizarea echipamentelor din motive economice și practice . Oțelul inoxidabi este cel mai folosit material care intră în contact direct cu alimentele. În industria laptelui cel mai utilizat oțel este AISI 304 și AISI 316, iar pentru a îmbunătăți aspectul exterior al echipamentelor se folosește oțelul inoxidabil AISI 302. Oțelurile inoxidabil sunt cele mai folosite în industria alimentară și în cea a lactatelor: rezistența la coroziune, durabilitatea, modul ușor de a le crea, rezistența la căldură, protecția gustului și a culorii și ușurința de curățare. Rezistența la coroziune și ușurința de curățare sunt foarte importante când vine vorba de igiena alimentelor.

Page 16

Separator centrifugal de lapte CAPITOLUL II IDENTIFICAREA CONDIȚIILOR DE LUCRU Aciditatea laptelui este dată de amestecul de acizi liberi şi de săruri cu reacţie acidă şi constituie un indicator al prospeţimii laptelui. Aciditatea laptelui poate fi apreciată rapid prin anumite reacţii calitative (proba fierberii, proba cu alcool), iar cantitativ prin metoda titrării (metodă standardizată). Aciditatea laptelui se exprimă în grade Thörner (ºT) care reprezintă numărul de mililitri de soluţie hidroxid de sodiu 0,1N necesar pentru neutralizarea a 100 ml de lapte în prezenţa fenolftaleinei ca indicator. Laptele proaspat muls are o aciditate de 16-18˚T. Dupa mulgere aciditatea laptelui crește, datorită activității bacteiilor lacitice asupra lactozei cu formare de acid lactic. La aciditatea de peste 35˚T laptele coagulează la fierbere, iar la 60-70˚T fenomenul se produce spontan la temperatura camerei. Un alt factor important de care trebuie tinut cont este pH-ul și aciditatea alimentului cu care interacționează materialul. pH-ul reprezintă logaritmul zecimal cu semn schimbat al concentrației ionilor din soluție. Prin noțiunea de pH se exprimă cantitativ aciditatea (sau bazicitatea) unei substanțe, pe baza concentrației ionilor numiți hidroniu H3O+. Pentru soluțiile foarte diluate se consideră că pH-ul nu mai este egal cu concentrația hidroniului, ci cu concentrația molară a soluției. PH-ul laptelui de vacă este cuprins între 6,6 și 6,8. Laptele prezintă propietatea tampon, care este datorată substanțelor proteice și sărurilor minerale, în special citrați și fosfați. Factorii de care se țin cont atunci când se alege materialul pentru realizarea separatorului centrifugal de lapte sunt: Viteza de separare a globulelor de grăsime sub acțiunea forței centrifuge, care depinde de dimensiunea lor, de greutatea specifică și plasmei laptelui și vâscozitatea acestora. Globulele cu diametru mediu se separă mai complex. Creșterea vâscozității laptelui înrăutățește procesul de degresare Temperatura mărită care reduce vâscozitatea laptelui și sporește viteza de separare a grăsimii. Temperatura optimă a laptelui în procesul smântânirii este de 38-42 C. Ea corespunde temperaturii de preîncălzire a laptelui în secțiile de recuperare a pasteurizatoarelor. În cazul obținerii smântânii cu procent înalt de grăsime pentru fabricarea untului, smântânirea se efectuează la temperaturi de 80-90 C și se aplică la fabricarea untului cu flux continuu. Gradul de curățenie al laptelui și aciditatea crescută. Smântânirea decurge normal în cazul smântânirii laptelui curat cu aciditate de până la 20 T. Impuritățile particulelor de proteine precipitate în cazul laptelui cu aciditate ridicată, măresc vâscozitatea laptelui și împiedică separarea normală a grăsimii. Page 17

Separator centrifugal de lapte Tratamentul mecanic prealabil al laptelui destinat pentru smântânire- influențează negativ asupra procesului de separare a grăsimii și mărește pierderile de grăsime cu laptele degresat. Păstrarea laptelui până la smântânire timp de 24 de ore mărește conținutul de grăsime în laptele degresat cu 15-20% [5]. Factorii de care se mai ține cont în alegerea materialului sunt cei ce se referă la tehnica de exploatare a separatorului în timpul procesului: Montarea corectă a separatorului, uniformitatea spațiilor dintre talere și echilibrarea tobei. Smântânirea decurge normal, dacă spațiile dintre talere sunt uniforme în caz contrar, laptele va tinde să treacă prin spațiile mai mari, și, deci, se dereglează procesul de dirijare a acestuia în cavitatea tobei și ca rezultat, se înrăutățește procesul de degresare. Viteza de rotație a tobei- cu cât viteza este mai mare cu atât smântânirea este mai completă. În scopuri de securitate nu se recomandă mărirea vitezei tobei peste prevederile pașaportului tehnic, deoarece aceasta poate provoca accidente. Micșorarea numărului de rotații cu 25 % duce la creșterea procentului de grăsime în laptele degresat de 4-5 ori, de aceea separarea trebuie începută numai după ce separatorul a atins viteza maximă. Montarea și exploatarea corectă a separatorului. Separarea poate fi efectuată numai în cazul funcționării normale a separatorului, respectând strict instrucțiunea de exploatare. Acesta duce nu numai la smântânire completă, dar și la evitarea posibilelor dereglări si accidente [5]. Condițiile de procesare și de lucru din industria laptelui sunt importante pentru alegerea materialelor cu care se vor realiza utilajele și instalțiile : Tabel nr. 2.1 Condiții de procesare

Medii alimentare Lapte Smântănă Brânzeturi Unt

Temperatura 2...4 40 40...50 10

Condiții de procesare pH 6,4...6,6 5,8...6,0 4,8...5,4 4,7...5,0

Timp 30 min. 15 min. 30 min. 40...50 min.

CONCLUZII: Un alt factor foarte important în alegerea materialului pentru realizarea unui utilaj din industria alimentară sunt condițiile de procesare. Laptele nu este un mediu foarte acid în comparatie cu alte medii alimentare cum ar fi alcool sau oțetul. În funcție de temperature de procesare, pH-ul și timpul de fabricație s-au ales materialele de construcție a utilajului.

Page 18

Separator centrifugal de lapte CAPITOLUL III IDENTIFICAREA FENOMENELOR DE LA INTERFAȚA MATERIAL MEDIU ALIMENTAR Un sistem fizic poate fi static, dinamic, termic, etc., iar în cadrul lui se pot desfășura succesiv sau în paralel mai multe procese. Similitudinea este procesul care stabilește relațiile dintre sistemele fizice de diverse mărimi, în scopul punerii la scară mai mică sau mai mare a proceselor fizice și chimice, fiind un principiu enunțaț prima dată de Newton [11]. 3.1 Legile lui Fick (legile difuziei) Difuzia staţionară. Legea I a lui Fick. Fie direcţia x după care concentraţia speciei ionice i variază şi direcţiile y, z după care concentraţia este constantă. Diversele planuri imaginare y, z sunt echimolare sau echinormale (c=constant). Transferând 1 mol de specie i de la concentraţia iniţială 𝑐𝑖,𝑓 , corespunzătoare distanţei 𝑥𝑖, , la concentraţia 𝑐𝑖,𝑓 de la 𝑥𝑓 , variaţia de potenţial chimic va fi: 𝑐

𝛥µ = µ𝑖,𝑓 − µ𝑖,𝑖 = 𝑅𝑇𝑙𝑛 𝑐𝑖,𝑓 𝑖,𝑖

(3.1)

Figura 3.1 Legea I a lui Fick

Forţa difuzivă este un gradient al potenţialului chimic şi apare în mişcarea de difuzie a ionilor dintr-o regiune având concentraţia mai mare, într-una cu concentraţie inferioară. Forţa de difuzie 𝐹𝐷 produce un flux de difuzie (sau flux difuziv) 𝐽𝐷 , exprimat prin numărul de moli de specie i care străbat unitatea de suprafaţă normală la flux, în unitatea de timp. Dacă 𝐹𝐷 este îndeajuns de mic, se poate scrie direct proporţionalitate între 𝐽𝐷 şi 𝐹𝐷 :

𝐽𝐷 = 𝐴 ∗ 𝐹𝐷

(3.2) Page 19

Separator centrifugal de lapte de unde rezultă că: 𝑑µ

𝐽𝐷,𝑖 = −𝐴 𝑑𝑥𝑖

(3.3)

Luând în considerare modul de exprimare al potenţialului chimic în soluţii ideale (μi=μi0+RT lnci ), se obţine relaţia:

𝐽𝐷,𝑖 = −𝐴𝑐𝑖

𝑅𝑇 𝑐𝑖

∗

𝑑𝑐𝑖 𝑑𝑥

= −𝐴𝑅𝑇 ∗

𝑑𝑐𝑖 𝑑𝑥

= −𝐷

𝑑𝑐

(3.4)

𝑑𝑥

unde D=ART este constanta (coeficient) de difuzie şi are dimensiunile exprimate în 𝑐𝑚2 𝑠 −1 Relaţia exprimă relaţia dintre fluxul de difuzie în regim staţionar şi gradientul de concentraţie şi e cunoscută din anul 1855 când Fick a elaborat-o empiric. Fluxul 𝐽𝐷 şi gradientul de concentraţie sunt mărimi vectoriale orientate în sens contrar şi astfel se explică semnul negativ din membrul drept. Difuzia nestaţionară. A doua lege a lui Fick Anterior a fost prezentată difuzia în condiţii staţionare, caracterizată prin constanta în timp a fluxului 𝐽𝐷 şi a forţei motoare 𝐹𝐷 a difuziei. Bineînţeles, regimul staţionar nu se atinge instantaneu ci într-un interval de timp în care concentraţia (sau difuzia în ultimă instanţă) sunt dependente de timp. Modul în care variază concentraţia cu timpul este arătat în cea de-a doua lege a lui Fick.

Figura 3.2 Legea a II a a lui Fick

Folosind prima lege a lui Fick pentru a exprima fluxul de ioni ce pătrunde prin 𝑃𝑠𝑡 şi iese prin planul 𝑃𝑑𝑟 , se obţine:

𝐽𝑑𝑟 = −𝐷

𝑑𝑐

𝑑𝑥

(3.5)

Respectiv: 𝑑

𝑑𝑐

𝐽𝐷.𝑑𝑟 = −𝐷 𝑑𝑥 (𝑐 − 𝑑𝑥 𝑑𝑥)

(3.6)

sau Page 20

Separator centrifugal de lapte 𝑑𝑐

𝑑2 𝑐

𝐽𝐷.𝑑𝑟 − 𝐽𝐷.𝑠𝑡 = −𝐷 𝑑𝑥 + 𝐷 𝑑𝑥 2 𝑑𝑥

(3.7)

Valoarea netă a fluxului ce iese din elementul de volum dx va fi:

𝐽𝐷.𝑑𝑟 − 𝐽𝐷.𝑠𝑡 = +𝐷

𝑑2𝑐 𝑑𝑥 2

𝑑𝑥

(3.8)

Fluxul net pe unitatea de volum şi în unitatea de timp este 𝐷𝑑 2 𝑐/𝑑𝑥 2 şi reprezintă tocmai variaţia în unitatea de timp a fluxului de ioni, emergent din paralelipipedul elementar , adică 𝜕𝑐 tocmai variaţia 𝜕𝑡 a concentraţiei cu timpul[6]. Deoarece concentraţia c depinde şi de distanţa x şi timpul t, în ecuaţie trebuie introduse derivatele parţiale: 𝜕𝑐

𝜕2 𝑦

𝜕𝑡 𝑥

𝜕𝑥 2

( ) =𝐷

(3.9)

3.2 Migrarea ionilor metalici din oțel în mediul alimentar O importantă sursă de contaminare cu metale grele a alimentelor poate fi contactul cu mașinile, instalațiile sau utilajele de prelucrare, păstrarea conservelor în ambalaje metalice. Tendința metalelor de a trece în stare ionică sau combinată – a se coroda - diferă mult de la un metal la altul și poate fi caracterizată energetic, în termeni termodinamici, prin variația entalpiei ∆G (Gibbs) ce însoțește procesul. Un proces electrochimic este spontan dacă variația entalpiei libere de reacție este negativă. O valoare negativă pentru ∆G arată descreșterea energiei sistemului prin desfășurarea procesului de coroziune și tendința lui de reacție. Rezultă că metalele care au entalpia liberă de ionizare negativă, ∆GPb> Cu>Cd [23]. Figura nr. 5.2.2 Nivelul de metale din iaurt [23]

 Concluzii Concentrațiile de Cd, Pb, Cu și Fe în lapte, produse lactate și ouă consumate în West Bank au arătat putină variabilitate între firmele. Laptele praf au fost găsite cele mai multe, în timp ce branza albă fiind cea mai săracă. Dintre cele patru metele studiate, concentrația de Fe a fost întotdeauna cea mai mare și concentrația de Cd cea mai mică[23]. 5.1.3 Cercetare privind ioni ai metalelor grele în probele de lapte colectate de la animale hrănite cu furaje irigate cu efluenții orașului – Departamentul de Chimie al Universității Gomal- Dera Ismail Khan, Pakistan  Introducere Laptele este secreția caracteristică a glandelor mamare ale tuturor mamiferelor, care întâlnesc nevoile nutrțtionale ale corpului mai bine decât orice alt produs alimentar. Conține proteine, carbohidrați, grasimi, minerale și vitamine. Mai mult decât atât conține aceste elemente esențiale în proporții destul de adecvate (Atherton, 1982). Cantitatea și calitatea laptelui depinde de condiția sănătății animalelor. Elementele minerale anorganice necesare alimentației include Ca, P, Fe, Cu, Mn, Mg, Na, K, Cl, I, Co și Zn (Atherton, 1982; Castle si Watkins, 1984). Totuși multe minerale sunt denumite ca fiind esențiale pentru animalele atunci când sunt mâncate

Page 36

Separator centrifugal de lapte corect, aceleasi minerale pot fi toxice și chiar letale cand sunt mâncate în exces. Astfel, suplimentarea cu minerale, trebuie să se facă cu mare grijă [24]. Concentrația oligoelementelor în dietă afectează calitatea laptelui deoarece nutrienții sunt îndepărtați din sânge prin glandele mamare, transformate în lapte și secretat de uger [24].  Materiale si metode: Concentrația metalelor grele ca și cadmiu (Cd), crom(Cr), plumb(Pb) și nichel (Ni) a fost determinată prin metoda de Absorbție Atomică Spectrofotometru (AOAC, 1984).  Probele de lapte și analizele: Probele de lapte sunt colectate de la fermele de bovine din zonele luate în studiu. Probele au fost colectate imediat dupa mulgerea vacilor și bivolilor. Diluare suplimentară a fost făcută cu soluție de HCI 1% și metale grele cum ar fi cadmiu (Cd), crom (Cr), plumb (Pb) și concentrări de nichel (Ni) în probele preparate au fost determinate prin utilizarea metodei de Absorbție Atomică Spectrofotometru model Varian SpectraAA 250 plus .  Rezultate si discutii:. Cadmiu (Cd2+) Cadmiul este extrem de toxic și a fost implicat în unele cazuri de otrăvire prin alimente. Cantități infime de cadmiu sunt suspectate a fi responsabile pentru schimbări adverse în arterele rinichilor oamenilor (APhA, 1995) [24]. Crom(Cr3+) În laptele colectat din zone poluate , concentrație de Cr era de aproximativ 0.29ppm ,comparată cu(0.10ppm) cel obținut de la zonele nepoluate (tabelul 1). Într-un studiu similar nivelul ridicat de crom a fost de asemenea observat în probele de lapte recoltat din zonele orașlui unde efluenții erau utilizați pentru creșterea furajelor (Khattak et al, 2004) [24]. Plumb(Pb2+) Concentrația de plumb din probele de lapte din zonele poluate era de cinci ori (0.11 ppm) mai mare comparativ cu zona nepoluata (0.02 pmm). Nivel similar ridicat de plumb a fost raportat de către Dwivedi și Swarup (1995) în studiile lor asupra laptelui colectat din zonele urbane din India. Valorile raportate au fost mult sub valorile admise citate de Hough (2003) și Lokeshwari și Chandrappa (2006) de 0,02 ppm în lapte. Mediul înconjurător a jucat un rol vital în nivelul ridicat de furaje care au determint în cele din urmă concentrația de Pb în lapte. (Khattak et al, 2004; Tripathi 1999; Ayyadurai1998) [24]. Page 37

Separator centrifugal de lapte Nichel(Ni2+) Probe de lapte recoltate din zonele poluate au de trei ori (0,11 ppm) concentrație mai mare de nichel, comparativ cu zona nepoluată (0.04), care reflectă poluarea cu nichel (tabelul 1), în mediul zonei de studiu. Underwood (1977) au raportat valori mai mici în laptele colectat din zonele nepoluate decât valorile detectate de Ni în acest studiu. Mai mult, au fost investigate că valorile detectate au fost mai mici decât limitele superioare raportate de Walstra și Roberto (1984) și Khattak et al (2004) [24]. Tabel nr. 1 Concentrația de ioni ai metalelor grele (ppm) din laptele colectat din zone poluate și nepoluate

Metale grel

Zona poluată

Zona nepoluată

Cadmiu

0.06

0.02

Crom Plumb

0.29 0.11

0.10 0.02

Nichel

0.11

0.04

5.2 Spectroscopia de masă cu plasmă cuplată indusctiv (ICP- MS) ICP-MS este un tip de spectrometrie de masă, extrem de sensibilă prin care se poate masura o gamă larga de metale si unele nemetale, la concentratii foarte mici, la nivel de 1-10 parti per trilion (ppt). Spre deosebire de spectrometria de absorbție atomica (AAS), ICP-MS, are capacitatea de a detecta toate elementele simultan.Metoda ICP-MS se bazează pe combinarea plasmei cuplate inductiv, ca metoda de ionizare, cu spectrometria de masă, ca metodă de separare și detectțe a ionilor. Întrucât în multe cazuri este nevoie să se determine nu numai cantitatea totală dintr-un anumit element, ci și forma chimică a acestuia, întrucât aceasta are un impact semnificativ asupra biodisponibilității, mobilității și toxicității acelui element [14].

Avantaje -metoda este folosită pentru detectarea unei game foarte largi de elemente ; -din cauza timpilor relativ mici în care are loc contactul dintre materialele metalice şi produsele alimentare pe liniile de procesare, gradul de migrare al metalelor grele în alimente este mic [St,14]; -capacitatea de a măsura Hg la nivel de mg/l;

dezavantaje -preţul ridicat al echipamentelor şi a consumabilelor; - în cazul analizelor unui singur element se impune folosirea metodei GFAAS, care prezintă limite de detecţie relativ asemănătoare; -un alt dezavantaj al metodei este acela al interferenţelor ce se produc între matricea Page 38

Separator centrifugal de lapte -posibilitatea de a analiza probe solide prin evaporare laser; -prin metoda ICP-MS pot fi detectate toate elementele, mai puţin C, N, O, P, S, K şi Cl; -metoda necesită cantităţi mici de probă ( 0,998). Valorile limită de detecție a elementelor în mg/kg analizate cu ICP-MS s-au dovedit a fi de : 0,0005 pentru Pb, 0,003 Cd, 0,005 As, 0,006 Cu, 0,003 Zn și Sn, iar pentru Hg 0,02. Deviația standard obținută a fost în intervalul 1.2-3.5 μg/l [26]. Tabel nr 1 Concentrația metalelor toxice din produse lactate

As