Design of refrigeration system for freeze-concentration of fish protein hydrolysates using CO2 as working fluid

Abstract

Foredling av fisk etterlater store mengder restmateriale kun benyttet til lavkvalitets biprodukter. I noen tilfeller kan restmaterialet utgjøre over 50% av den totale vekten av hvit fisk. Utnyttelse av den høye næringsmengden fortsatt tilgjengelig i restmaterialet for produksjon av fiskeproteinhydrolysat (FPH) ved å benytte enzymatisk hydrolyse, kan gi høykvalitets hydrolysat. Videre konsentrering og tørking kan produsere proteinrikt pulver til menneskelig konsum, som er en mer bærekraftig måte å bruke restmaterialet på.

Frysekonsentrasjon er en energieffektiv og skånsom måte å avvanne FPH for tørking, og bevarer næringsverdiene og sensoriske egenskaper til produktet bedre. Frysekonsentrasjonen krystalliserer og fjerner vannet, og øker konsentrasjonen av løsningen.

For å evaluere varmeoverføringen fra hydrolysatet til kjølemediet og bestemme hastigheten på isdannelsen i kontakt-fryseren, er det skrevet et simuleringsprogram i Python for å beregne den totale varmeoverføringskoeffisienten, og virkningen av følgende faktorer er undersøkt: • Vertikale rør vs. kveilrør • Massefluks av kjølemedium • Jevnt lag termisk gel mellom rør- og sylinder-vegg • Diameter på sylinder og skrapehastighet • Metningstemperatur for kjølemediet

Resultatene var; at forskjellen mellom vertikal- og kveil-konfigurasjon var ubetydelig. Endring av massefluksen til kjølemediet har innvirkning på den opprinnelige varmeoverforingskoeffisienten, men i området < 5% på gjennomsnittlig varmeoverforingskoeffisienten Uavg. Diameteren og skrapehastigheten har størst innvirkning på Uavg med verdier som varierer [475, 660] for diameterne ble vurdert. Metningstemperaturen til kjølemediet påvirker varmeoverføringen Q og vekstfarten på islaget grunnet endringen i temperaturforskjell.

Det totale varme- og kjølebehovet regnes ut for FPH-prosessen. To CO2 kjølesystemer er designet For å mote de nødvendige varme- og kjølebelastningene; CASE 1 & CASE 2. Systemene har to-trinns kompresjon og ekspansjon, der det øvre trinnet har superkritisk varmeavgivning. Systemytelsen undersøkes. CASE 1 har operasjonsområdet [−28◦C,−20◦C] og den resulterende COPR varierer fra [1.76,2.06]. Operasjonsområdet til CASE 2 strekker seg fra [−40◦C,−20◦C], og den resulterende COPR varierer fra [1.35, 1.87].

The processing of fish leaves a large amount of rest raw material (RRM) only utilized for low quality byproducts. In some cases, the rest raw material can make up over 50% of the total weight of the white fish when filleted. Utilizing the high nutritional values still contained in the RRM for the production of fish protein hydrolysates (FPH) using enzymatic hydrolysis can produce high-quality hydrolysate. Further concentrating and drying can yield human-grade powder which is a more sustainable way to handle the RRM.

Freeze concentration is an energy-efficient and gentle manner to de-water the FPH prior to drying, better preserving the nutritional values and sensory characteristics of the product. The freeze concentration crystallizes and removes water, increasing the concentration of the solution.

To evaluate the heat transfer from the bulk hydrolysate to the refrigerant and determine the rate of ice formation in the contact freezing vessel, a simulation program has been written in Python to calculate the overall heat transfer coefficient, and the impact of the following factors is investigated:

• Vertical pipes vs coiled pipes • Mass flux of refrigerant • Uniform thermal gel layer between the pipe and vessel wall • Diameter of the vessel and scrape velocity • Saturation temperature of the refrigerant

The findings were; that the difference between the vertical and coiled configuration was negligible. Changing the mass flux of the refrigerant is impactful on the initial heat transfer coefficient, but in the range of < 5% on Uavg. The diameter and scrape velocity have the largest impact on the Uavg with values ranging [475, 660] for the diameters considered. The saturation temperature of the refrigerant impacts the heat transfer Q and ice growth rate because of the change in temperature difference.

The overall heat and cooling demand are determined for the FPH process. Two CO2 refrigeration systems are designed to meet the required heat and cooling loads; CASE 1 & CASE 2. The systems have two-stage compression and expansion, with the high stage having super-critical heat rejection. The system performance is investigated. CASE 1 has the operational range of [−28◦C,−20◦C] and the resulting COPR ranges from [1.76,2.06]. The operational range of CASE 2 extends from [−40◦C,−20◦C], and the resulting COPR ranges from [1.35, 1.86].