डेयरी व खाद्य इकाई संक्रियाएँ व परिरक्षण: ब्लांचिंग, समांगीकरण, पाश्चुरीकरण, निर्जर्मीकरण, सूक्ष्मजीवी मृत्यु बलगतिकी, शीतलन, हिमीकरण व प्रशीतन
2. सूक्ष्मजीवी मृत्यु की बलगतिकी: D, z व F मान
स्थिर घातक ताप पर सूक्ष्मजीव प्रथम-कोटि बलगतिकी से मरते हैं: प्रत्येक समान समय-अंतराल में उत्तरजीवियों की संख्या समान अंश से घटती है, log₁₀(N₀/N) = t/D। दशमिक न्यूनीकरण समय D उस ताप पर समष्टि को दस गुना (एक लघुगणक चक्र) घटाने का समय है: 8 min में 10⁶ से 10² तक गिरना 8 min में चार लघुगणक चक्र है, अतः D = 2 min। चूँकि मृत्यु लघुगणकीय है, कोई परिमित प्रक्रम शून्य उत्तरजीवियों तक नहीं पहुँचता; प्रक्रम उसके द्वारा प्राप्त लघुगणक न्यूनीकरणों की संख्या से निर्दिष्ट होता है।
ताप बढ़ने पर D घटता है। z मान वह ताप-वृद्धि है जो D को दस गुना घटाती है: log₁₀(D₁/D₂) = (T₂ − T₁)/z। यदि 115 °C पर D, 4 min और 121 °C पर 0.5 min हो, तो log₁₀ 8 = 6/z और z = 6.64 °C। सम्पूर्ण प्रक्रम का घातक प्रभाव उसके F मान, किसी संदर्भ ताप पर तुल्य समय, से संक्षेपित होता है: निर्जर्मीकरण हेतु F₀, z = 10 °C के साथ 121.1 °C को संदर्भित करता है, और ताप T पर समय t का प्रक्रम t × 10^((T − 121.1)/10) मिनट का योगदान देता है। अतः 115 °C पर 20 min रखना F₀ = 20 × 10^(−0.61) = 4.91 min देता है; परिवर्ती ताप हेतु F₀ = ∫10^((T − 121.1)/10) dt। आवश्यक F लक्ष्य न्यूनीकरण से निकलता है: F = D × (log N₀ − log N)। कम-अम्ल डिब्बाबंद खाद्यों हेतु 12D संकल्पना क्लॉस्ट्रीडियम बोटुलिनम बीजाणुओं के बारह लघुगणक न्यूनीकरण माँगती है; उनके लिए D₁₂₁ = 0.21 min लेने पर न्यूनतम प्रक्रम F₀ = 12 × 0.21 = 2.52 min है।
3. दूध व अन्य द्रव खाद्यों का पाश्चुरीकरण व निर्जर्मीकरण
पाश्चुरीकरण दूध में सभी रोगजनक जीवों व अधिकांश विकारी जीवों को नष्ट करता है, उसे निर्जर्मीकृत किए बिना, अतः पाश्चुरीकृत दूध को फिर भी ठंडा रखना होता है। दूध के दो मानक प्रक्रम LTLT (कम ताप, लंबा समय: 63 °C पर 30 min, बैच या वैट विधि) और HTST (उच्च ताप, कम समय: 72 °C पर 15 s, सतत) हैं। इन्हें दूध के सबसे ऊष्मा-प्रतिरोधी अबीजाणु-निर्माता रोगजनक, कॉक्सिएला बर्नेटी, को नष्ट करने हेतु निर्धारित किया गया था। पर्याप्त पाश्चुरीकरण क्षारीय फ़ॉस्फ़ेटेज़ परीक्षण से सत्यापित होता है: यह एंज़ाइम लक्ष्य रोगजनकों से थोड़ा अधिक ऊष्मा-प्रतिरोधी है और कच्चे दूध में प्राकृतिक रूप से उपस्थित है, अतः उसकी अनुपस्थिति दिखाती है कि दूध आवश्यक समय–ताप संयोजन तक पहुँचा।
HTST संयंत्र खंडों में एक प्लेट ऊष्मा विनिमयक है: संतुलन टंकी कच्चा दूध पुनर्जनन खंड को देती है, जहाँ उसे विपरीत दिशा में बहता गर्म पाश्चुरीकृत दूध गर्म करता है (जो इससे ठंडा होता है); फिर तापन खंड उसे गर्म जल से 72 °C तक उठाता है; वह धारण-समय हेतु आकारित धारण नली से गुज़रता है; यदि उसका ताप निर्धारित बिंदु से नीचे हो तो प्रवाह-विचलन वाल्व उसे संतुलन टंकी में वापस भेजता है; और वह पुनर्जनन व ठंडे जल वाले अंतिम शीतलन खंड से लौटता है। पुनर्जनन दक्षता पुनर्जनन में प्राप्त ताप-वृद्धि बटा कुल वृद्धि है: 5 °C पर प्रवेश करता, पुनर्जनन से 60 °C पर निकलता और 72 °C पर पाश्चुरीकृत दूध (60 − 5)/(72 − 5) = 82 प्रतिशत पुनर्जनन रखता है। धारण नली को सबसे तेज़ कण को पूरे समय रोकना चाहिए: स्तरीय प्रवाह में सबसे तेज़ कण माध्य वेग के दोगुने से चलता है, अतः 0.5 m/s माध्य वेग से दूध ले जाती नली को 15 s हेतु 2 × 0.5 × 15 = 15 m लंबाई चाहिए।
निर्जर्मीकरण बीजाणुओं सहित सभी जीवनक्षम जीवों को नष्ट करता है ताकि व्यावसायिक रूप से निर्जर्म उत्पाद मिले — ऐसा जिसमें सामान्य भंडारण में कोई जीव नहीं उग सकता, यद्यपि नगण्य संख्या में सुप्त बीजाणु बच सकते हैं। पात्र-में निर्जर्मीकरण भरे, सील किए डिब्बे या बोतल को रिटॉर्ट (दाब में भाप, लगभग 121 °C) में गर्म करता है, प्रक्रम-समय डिब्बे के सबसे धीरे गर्म होने वाले बिंदु तक ऊष्मा प्रवेश से तय होता है। UHT (अति-उच्च ताप) प्रसंस्करण केवल द्रव को कुछ सेकंडों हेतु लगभग 135–150 °C तक, प्रत्यक्ष भाप अंतःक्षेपण या निमज्जन से या अप्रत्यक्ष विनिमयकों में, गर्म करता है, और फिर उसे अलग से निर्जर्मीकृत (उदाहरणार्थ हाइड्रोजन पेरॉक्साइड से) पात्रों में निर्जर्म क्षेत्र में पूतिरोधी (aseptic) रूप से भरता है; UHT दूध महीनों तक बिना प्रशीतन के रहता है जबकि रिटॉर्ट दूध से कम भूरापन व स्वाद-परिवर्तन सहता है, क्योंकि उच्च ताप पर सूक्ष्मजीवी मृत्यु गुणवत्ता अभिक्रियाओं (जिनके z मान बड़े हैं) की तुलना में बहुत तेज़ी से बढ़ती है।
4. पाश्चुरीकरण में ऊष्मा भार व पुनर्जनन का मूल्य
पाश्चुरीकारक को जो ऊष्मा देनी होती है वह एक ऊर्जा संतुलन है, Q = ṁc_pΔT। 3000 kg/h दूध (c_p = 3.93 kJ/kg·K) को 5 °C से 72 °C तक पूरा गर्म करने में 3000 × 3.93 × 67/3600 = 219.4 kW लगते। 82 प्रतिशत पुनर्जनन के साथ तापन खंड केवल 60 से 72 °C तक की वृद्धि देता है: 3000 × 3.93 × 12/3600 = 39.3 kW, और शीतलन खंड का भार उसी अनुपात में घटता है, क्योंकि आता ठंडा दूध जाते गर्म दूध से पहले ही अधिकांश ऊष्मा निकाल चुका होता है। इसीलिए प्रत्येक सतत पाश्चुरीकारक अपने पुनर्जनन खंड के चारों ओर बनाया जाता है।
5. शीतलन व हिमीकरण द्वारा परिरक्षण; प्रशीतन व शीत भंडारण
शीतलन सूक्ष्मजीवी वृद्धि तथा एंज़ाइमी व श्वसन क्रियाएँ धीमी करता है; कच्चे दूध को दुहने के शीघ्र बाद थोक दुग्ध शीतकों में लगभग 4 °C तक ठंडा किया जाता है, और फल व सब्ज़ियाँ पूर्व-शीतलित कर उन तापों पर शीत भंडार में रखी जाती हैं जो शीतन-क्षति से बचाएँ। हिमीकरण द्रव जल को बर्फ़ के रूप में हटाकर व a_w घटाकर सूक्ष्मजीवी वृद्धि पूरी तरह रोकता है। किसी खाद्य का हिमांक उसके घुले ठोसों से 0 °C से नीचे खिसक जाता है, और हिमीकरण तापों के एक परिसर पर चलता है। धीमा हिमीकरण कोशिकाओं के बीच बड़े बर्फ़ क्रिस्टल उगाता है जो ऊतक फाड़ते हैं और पिघलाने पर रिसाव हानि करते हैं; शीघ्र हिमीकरण — वायु-प्रवाह, प्लेट (संपर्क), तरलीकृत-परत IQF (एक-एक शीघ्र हिमीकृत) और −196 °C पर द्रव नाइट्रोजन में निम्नतापीय हिमीकरण — अनेक छोटे क्रिस्टल बनाता है और बनावट बचाता है।
वाष्प-संपीडन चक्र द्वारा प्रशीतन एक प्रशीतक को चार अवयवों से परिसंचारित करता है: वाष्पित्र, जहाँ वह कम दाब पर उबलता है और स्थान से ऊष्मा सोखता है (प्रशीतन प्रभाव); संपीडक, जो उसका दाब व ताप बढ़ाता है; संघनित्र, जहाँ वह वायु या जल को ऊष्मा देता है और द्रवित होता है; और प्रसार वाल्व, जो उसका दाब वाष्पित्र तक वापस गिराता है। निष्पादन गुणांक COP = प्रशीतन प्रभाव/कार्य निवेश है: 30 kJ/kg संपीडक कार्य हेतु निकाला गया 150 kJ/kg, 5 का COP है। क्षमता kW में या प्रशीतन टन में बताई जाती है, 1 TR = 3.517 kW (211 kJ/min)। अमोनिया (R717) अपनी दक्षता हेतु बड़े शीत भंडारों व डेयरियों की सेवा करता है (विषाक्तता अभिकल्प द्वारा प्रबंधित); हैलोकार्बन व उनके कम-वैश्विक-तापन प्रतिस्थापक छोटे संयंत्रों की सेवा करते हैं। वाष्प-अवशोषण तंत्र शाफ़्ट कार्य के स्थान पर ऊष्मा प्रयोग करते हैं।
शीत भंडार का प्रशीतन भार उत्पाद भार (हिमांक से ऊपर संवेद्य ऊष्मा, हिमीकरण की गुप्त ऊष्मा, हिमांक से नीचे संवेद्य ऊष्मा, और जीवित उपज हेतु श्वसन की ऊष्मा), दीवारों, छत व फ़र्श से संचरण भार, दरवाज़े खुलने पर अंतःस्यंदन (वायु-परिवर्तन) भार, और बत्तियों, पंखों, फ़ोर्कलिफ़्ट व लोगों से आंतरिक भारों का योग है। 10 000 kg सेबों (c = 3.6 kJ/kg·K) को 24 h में 25 से 0 °C तक ठंडा करना श्वसन से पहले 10 000 × 3.6 × 25/86 400 = 10.4 kW का उत्पाद भार है। 2000 kg दूध (c_p = 3.93 kJ/kg·K) को 3 h में 35 से 4 °C तक लाने वाला थोक दुग्ध शीतक 2000 × 3.93 × 31/10 800 = 22.6 kW, लगभग 6.4 TR, हटाता है।
मुख्य बिंदु
- ब्लांचिंग एंज़ाइम निष्क्रिय करती है, पेरॉक्सिडेज़ से जाँची जाती है; भाप ब्लांचिंग जल ब्लांचिंग से कम निक्षालन करती है।
- log(N₀/N) = t/D; log(D₁/D₂) = ΔT/z; z = 10 °C के साथ F₀ = t·10^((T − 121.1)/10); F = D × लघुगणक न्यूनीकरण (बोटुलिनम हेतु 12D)।
- LTLT 63 °C/30 min, HTST 72 °C/15 s; क्षारीय फ़ॉस्फ़ेटेज़ परीक्षण पाश्चुरीकरण प्रमाणित करता है।
- पुनर्जनन दक्षता = पुनर्जनन वृद्धि/कुल वृद्धि; धारण नली सबसे तेज़ कण पर आकारित होती है (स्तरीय प्रवाह में 2 × माध्य)।
- ऊष्मा व प्रशीतन भारों हेतु Q = ṁc_pΔT; COP = प्रशीतन प्रभाव/कार्य; 1 TR = 3.517 kW।
अभ्यास प्रश्न (15)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
स्थिर ताप पर एक जीवाणु समष्टि 8 min में 10⁶ से 10² प्रति mL तक गिरती है। उस ताप पर दशमिक न्यूनीकरण समय D, min में, क्या है?
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उत्तर: 2
8 min में चार लघुगणक चक्र (10⁶ → 10²), अतः D = 8/4 = 2 min। लघुगणक चक्रों की संख्या के बजाय अनुपात 10⁴ से भाग देना, या प्राकृतिक लघुगणक लेना, अर्थहीन मान देता है।एक बीजाणु का D मान 115 °C पर 4 min और 121 °C पर 0.5 min है। उसका z मान, °C में (दो दशमलव स्थानों तक), क्या है?
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उत्तर: 6.64
log₁₀(D₁/D₂) = (T₂ − T₁)/z, अतः z = 6/log₁₀(4/0.5) = 6/log₁₀ 8 = 6/0.9031 = 6.64 °C। प्राकृतिक लघुगणक (ln 8 = 2.079) लेने पर 2.89 °C, और तापांतर को स्वयं D अनुपात से भाग देने पर 0.75 आता है।क्लॉस्ट्रीडियम बोटुलिनम बीजाणुओं हेतु D₁₂₁ = 0.21 min लेते हुए, 12D प्रक्रम का न्यूनतम F₀, min में, क्या है?
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उत्तर: 2.52
F = D × लघुगणक न्यूनीकरणों की संख्या = 0.21 × 12 = 121 °C पर 2.52 min। 12 से भाग देना (0.0175 min) संबंध उलट देता है; अधिक लघुगणक न्यूनीकरणों को सदा लंबा प्रक्रम चाहिए।एक डिब्बाबंद खाद्य 115 °C पर 20 min रखा जाता है। z = 10 °C व 121.1 °C संदर्भ ताप लेते हुए, यह धारण कितना F₀ देता है, min में (दो दशमलव स्थानों तक)?
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उत्तर: 4.91
घातक दर L = 10^((115 − 121.1)/10) = 10^(−0.61) = 0.2455, अतः F₀ = 20 × 0.2455 = 4.91 min। घातांक उलटा लेने, 10^(+0.61), पर 81.5 min आता है, जो कम ताप को संदर्भ से अधिक घातकता का श्रेय देता।3000 kg/h दूध (c_p = 3.93 kJ/kg·K) बिना पुनर्जनन के 5 °C से 72 °C तक गर्म किया जाता है। ऊष्मा भार, kW में (एक दशमलव स्थान तक), क्या है?
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उत्तर: 219.4
Q = ṁc_pΔT = (3000/3600) × 3.93 × 67 = 0.8333 × 263.3 = 219.4 kW। प्रवाह को kg/h में छोड़ने पर 789 930 "kW" आता है, छत्तीस सौ गुना अधिक।एक HTST पाश्चुरीकारक में दूध 5 °C पर प्रवेश करता है, पुनर्जनन खंड से 60 °C पर निकलता है और 72 °C पर पाश्चुरीकृत होता है। पुनर्जनन दक्षता, प्रतिशत में (एक दशमलव स्थान तक), क्या है?
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उत्तर: 82.1
पुनर्जनन दक्षता = (60 − 5)/(72 − 5) = 55/67 = 82.1 प्रतिशत। कुल वृद्धि के बजाय 72 °C से भाग देना (60/72 = 83.3 प्रतिशत) तापों को प्रवेश के बजाय शून्य से मापता है।उसी पाश्चुरीकारक (3000 kg/h दूध, c_p = 3.93 kJ/kg·K) में पुनर्जनन दूध को 60 °C तक लाता है। तब 72 °C तक पहुँचने हेतु तापन खंड को कितनी ऊष्मा देनी होगी, kW में (एक दशमलव स्थान तक)?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 39.3
Q = (3000/3600) × 3.93 × (72 − 60) = 0.8333 × 47.16 = 39.3 kW, बिना पुनर्जनन के 219.4 kW के विरुद्ध। पूरी 5-से-72 °C वृद्धि लेना पुनर्जनन द्वारा पहले से किए गए कार्य की उपेक्षा करता है।दूध HTST धारण नली से 0.5 m/s माध्य वेग पर स्तरीय प्रवाह में बहता है। आवश्यक धारण-समय 15 s है। कौन-सी न्यूनतम नली-लंबाई सुनिश्चित करती है कि प्रत्येक कण कम से कम 15 s धारित रहे, m में?
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उत्तर: 15
स्तरीय प्रवाह में केंद्र-रेखा वेग माध्य का दोगुना, 1.0 m/s, है, और उस सबसे तेज़ कण को 15 s रुकना चाहिए: L = 1.0 × 15 = 15 m। माध्य वेग पर आकारित करना (7.5 m) सबसे तेज़ दूध को केवल 7.5 s रोकता है, उसे अल्प-पाश्चुरीकृत करते हुए।एक वाष्प-संपीडन प्रशीतक में प्रशीतन प्रभाव 150 kJ/kg प्रशीतक और संपीडक कार्य 30 kJ/kg है। निष्पादन गुणांक क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 5
COP = प्रशीतन प्रभाव/कार्य = 150/30 = 5। संघनित्र में निकाली गई ऊष्मा (180 kJ/kg) को कार्य से भाग देने पर 6 आता है, उसी मशीन का ऊष्मा पंप के रूप में COP।10 000 kg सेबों (विशिष्ट ऊष्मा 3.6 kJ/kg·K) को 24 h में 25 °C से 0 °C तक ठंडा करना है। श्वसन व अन्य भारों की उपेक्षा करते हुए, उत्पाद शीतलन भार, kW में (एक दशमलव स्थान तक), क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 10.4
हटाने योग्य ऊष्मा = 10 000 × 3.6 × 25 = 900 000 kJ; 86 400 s पर यह 10.4 kW है। केवल 24 से भाग देना kJ/h (37 500) में दर देता है, kW नहीं; जीवित फल की श्वसन ऊष्मा इसके ऊपर जुड़ती।एक थोक दुग्ध शीतक को 2000 kg दूध (c_p = 3.93 kJ/kg·K) को 3 h में 35 °C से 4 °C तक लाना है। इसके लिए कितनी औसत प्रशीतन क्षमता चाहिए, kW में (एक दशमलव स्थान तक)?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 22.6
Q = 2000 × 3.93 × 31 = 243 660 kJ, 3 × 3600 = 10 800 s पर, अर्थात् 22.6 kW — 3.517 kW प्रति टन पर लगभग 6.4 प्रशीतन टन। 3 h के बजाय 1 h से भाग देने पर 67.7 kW आता है, तीन गुना अधिक, और 31 K गिरावट के बजाय केवल प्रारंभिक ताप (35 K) लेना इसे थोड़ा बढ़ा देता है।दूध पाश्चुरीकरण की पर्याप्तता नियमित रूप से किससे जाँची जाती है?
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उत्तर: A — क्षारीय फ़ॉस्फ़ेटेज़ परीक्षण
कच्चे दूध में प्राकृतिक रूप से उपस्थित क्षारीय फ़ॉस्फ़ेटेज़ सही समय–ताप संयोजन से नष्ट होता है और लक्ष्य रोगजनकों से थोड़ा अधिक टिकता है, अतः उसकी अनुपस्थिति पाश्चुरीकरण की पुष्टि करती है। पेरॉक्सिडेज़ ब्लांचिंग सूचक है, और मेथिलीन-ब्लू व उबालने पर थक्का परीक्षण कच्चे दूध की गुणवत्ता आँकते हैं।दूध का मानक HTST पाश्चुरीकरण है:
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उत्तर: A — 72 °C पर 15 s
HTST, 72 °C पर 15 s, सतत है। 63 °C पर 30 min बैच LTLT विधि है, सेकंडों हेतु लगभग 135 °C UHT है, और अनेक मिनटों हेतु 121 °C रिटॉर्ट निर्जर्मीकरण है, पाश्चुरीकरण नहीं।ब्लांचिंग के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — हिमीकरण से पहले इसका मुख्य उद्देश्य एंज़ाइम निष्क्रिय करना है; B — पर्याप्त ब्लांचिंग के सूचक के रूप में प्रायः पेरॉक्सिडेज़ प्रयुक्त होता है; D — यह ऊतक से वायु निकालती है
ब्लांचिंग उन एंज़ाइमों को रोकती है जो जमी व सूखी सब्ज़ियों को बिगाड़ते हैं, पेरॉक्सिडेज़ निष्क्रियता से आँकी जाती है, और अंतःकोशिकीय वायु बाहर निकालती है। गर्म जल में निमज्जन भाप से अधिक विलेय निक्षालित करता है, अतः तीसरे कथन में तुलना उलटी है।UHT प्रसंस्करण व निर्जर्मीकरण के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — UHT प्रसंस्करण में उत्पाद पात्रों में भरे जाने से पहले निर्जर्मीकृत होता है; C — पूतिरोधी पैकेजिंग में पात्र उत्पाद से अलग निर्जर्मीकृत होते हैं; D — UHT दूध पात्र-में निर्जर्मीकृत दूध से कम भूरापन सहता है
UHT प्रवाह तंत्र में द्रव को निर्जर्मीकृत करता है और उसे अलग से निर्जर्मीकृत पैकों में पूतिरोधी रूप से भरता है; सेकंडों हेतु अति उच्च ताप बीजाणुओं को भूरापन बढ़ाने से कहीं तेज़ी से मारता है, अतः गुणवत्ता लंबे रिटॉर्ट प्रक्रम से बेहतर है। व्यावसायिक निर्जर्मता का अर्थ है कि सामान्य भंडारण में कोई जीव नहीं उग सकता — प्रत्येक बीजाणु की अनुपस्थिति नहीं — अतः दूसरा कथन असत्य है।