Prilikom zagrevanja rastvora mlečne kiseline (10-50%) na 100 stepeni za preradu hrane, zašto se mora izabrati titanijum stepena 1 u odnosu na stepen 2 da bi se izbegla kontaminacija ukusa?

Mliječna kiselina (C₃H₆O₃) je uobičajen aditiv u preradi hrane, koristi se kao konzervans, regulator pH i arome u proizvodnji sira, prerađenog mesa i pića. Zagrijavanje otopina mliječne kiseline do 100 stepeni je često za aktivnosti sterilizacije, isparavanja ili reakcije. Titan je odabrani materijal za potopne grijače jer je otporan na koroziju i ne oslobađa opasne metale. Glavna razlika je između titanijuma Grade 1 (komercijalno čist, nisko intersticijski, 0,20% max Fe, 0,18% max O) i Grade 2 (standardna komercijalna čistoća, 0,30% max Fe, 0,25% max O). Stupanj 2 oslobađa tragove jona željeza (Fe 2+ / Fe 3+) u vrućoj mliječnoj kiselini. Ovi joni, iako sigurni za ljudsku upotrebu, kataliziraju oksidaciju mliječne kiseline u pirogrožđanu kiselinu i druge aldehide. Ovi produkti reakcije daju hrani gorak, zapaljen ili karamelizovan-okus. Katalitičko djelovanje je smanjeno s nižom koncentracijom gvožđa 1. stepena. Kvantifikuje stope otpuštanja gvožđa iz oba stepena i uspostavlja prag kontaminacije arome za preradu hrane sa mlečnom kiselinom.

Mehanizam oslobađanja gvožđa mlečne kiseline
Mliječna kiselina je slaba organska kiselina (pKa 3,86) koja može formirati rastvorljiva jedinjenja sa ionima metala. Pasivirajući film titana u mliječnoj kiselini je stabilan. Gvožđe, kao zagađivač u tragovima u titanijumskoj matrici (gvožđe je ostatak od prerade rude), može se isprati na dva načina. Prvo, direktan kontakt: atomi gvožđa na površini titanijuma se rastvaraju kao Fe2+ kada se pasivni premaz pokvari lokalno. Drugi je difuzija kroz oksid. Atomi gvožđa ispod pasivnog filma difunduju kroz TiO 2 rešetku i rastvaraju se na interfejsu rastvora oksida-. Stepen 2 sadrži preko 50% više gvožđa od stepena 1, sa višim standardom gvožđa od 0,30% (nasuprot 0,20% za Grade 1). U istim uslovima, Grade 2 oslobađa 2-3 puta više iona gvožđa u rastvor nego Grad 1.

Izmjerene stope oslobađanja gvožđa na 100 stepeni u 30% mlečne kiseline su: stepen 1, 0,5-1,0 µg/cm²/dan; Stepen 2, 1,5-3,0 µg/cm²/dan. Za tipičan uranjajući grijač sa površinom od 1.000 cm², Grade 1 doprinosi 0,5-1,0 mg/dan u seriji od 1000 litara, ili koncentraciji od 0,5-1,0 ppb. Ocjena 2 dodaje 1,5-3,0 ppb. Ovi nivoi su značajno ispod sigurnosnih granica (gvožđe je važan nutrijent, sa dnevnim potrebama od 8-18 mg), ali katalitički uticaj na mlečnu kiselinu dešava se pri koncentracijama gvožđa u delovima po milijardu.

Oksidacija mliječne kiseline katalizatorom
Oksidaciju mliječne kiseline otopljenim kisikom kataliziraju ioni željeza u mliječnoj kiselini: CH₃CHOHCOOH + ½ O₂ → CH3COCOOH + H₂O (mliječna kiselina u pirogrožđanu kiselinu). Pirogrožđana kiselina ima opor, kiselkast, pomalo zagoren šećerni ukus. Više oksidacije proizvodi acetaldehid (voćni, a zatim opor) i octenu kiselinu (ocat). Reakciju katalizira Fe2+/Fe3+ u koncentracijama od čak 10 ppb, mnogo nižim od 0,5-3,0 ppb koje oslobađaju titanijski grijači. Međutim, lokalna koncentracija na površini grijača je znatno veća od ukupne koncentracije. U toplotnom graničnom sloju grijača koji radi na toplotnom toku od 30-50 kW/m2, površinska temperatura je 5-10 stepeni iznad mase i gvožđe oslobođeno iz titanijuma ostaje koncentrisano blizu površine (100-1000 ppb) pre nego što difunduje u masu. Gvožđe koje je lokalizovano na površini katalizira oksidaciju mliječne kiseline na granici grijač-otopina kako bi se proizvela jedinjenja arome koja se miješaju u masu čak i kada je koncentracija željeza u rasutom stanju vrlo niska.

Senzorni panel testovi rastvora mlečne kiseline zagrejanih korišćenjem titanijumskih grejača 1. i 2. razreda (ista geometrija, 30% mlečne kiseline, 100 stepeni, 8 sati) pokazuju značajne razlike. Uzorci zagrijani do stepena 2 pokazivali su "spaljene", "karamelizirane" ili "ljekovite" note-. Uzorci stepena 1 zagrijani su opisani kao čisti, neutralni ili blago kiseli (tipično za mliječnu kiselinu). Hemijskom analizom utvrđeno je da zagrijani uzorci stepena 2 sadrže pirogrožđanu kiselinu na nivoima od 5-15 ppm, dok su uzorci stepena 1 zagrejani sadržavali nivoe ispod detekcije (<1 ppm).

Poređenje kvaliteta titana za mliječnu kiselinu za hranu
Parametar Titanijum Grade 1 Titanium Grade 2 Titanium Grade 7 Titanium Grade 12 Titanium
Max. Sadržaj gvožđa (specifikacija) 0,20% 0,30% 0,30% (isto kao stepen 2) 0,30%
Uobičajeni sadržaj željeza (mlinski proizvod) 0.06-0.12 0.10-0.20 0.10-0.20 0.10-0.20
Sadržaj kiseonika (max) 0,18 % 0,25 % 0,25 % 0,25 %
Brzina oslobađanja gvožđa (30% mlečne kiseline, 100 stepeni) 0,5-1,0 µg/cm2/dan 1,5-3,0 µg/cm2/dan 1,0-2,0 µg/cm2/dan 1,2-2,2 µg/cm2/dan
Formirana pirogrožđana kiselina (8 sati zagrijavanja, 30% mliječne kiseline)<1 ppm 5 to 15 ppm 2 to 5 ppm 3 to 8 ppm
Utjecaj okusa NoMajor Off-ukus Lagano uočljiv-ukus• Blag do blag neprijatan-ukus
Faktor troškova (u poređenju sa razredom 2) 1,1-1,2x 1,0x (osnovni) 1,4-1,5x 1,3-1,4x
FDA bezbedno u kontaktu sa hranom Da (malo gvožđa) Da (ali rizik od arome) Da Da
Matrix za primjenu grijača za preradu hrane mliječne kiseline
Nivo mliječne kiseline Temperatura Trajanje obrade Preporučeno Titanium Grade Alternativni materijal Faktor osjetljivosti okusa
10-50% 80-100 stepeni<4 hours batch Grade 1 Glass walled steel Grade 2 not suitable for delicate items
10-50% 80-100°C >4 sata serija samo PTFE presvučena IncoloyEven Grade 1 može pokazati blagi efekat nakon 12+ sati.
10-50% <80°CAny duration Grade 1 preferred Grade 2 suitable for low sensitivity itemsLess flavor influence at lower temperatures
50-90% (koncentrisano) 100 stepeni Kratkotrajni stepen 1 + niski toplotni fluks Staklo ili PTFEF brzo oslobađanje gvožđa pri visokim koncentracijama
Bilo koja koncentracija Bilo koji Kontinuirani proces (dani) Stepen 1 plus periodična pasivacija Staklena obloga Stalno izlaganje dovodi do nakupljanja jedinjenja ukusa
Površinska obrada i pasivacija za 1. razred
Na stanje površine utiče čak i oslobađanje gvožđa u titanijumu 1. stepena. Površina primljene žarene cijevi za mlin ima sloj obogaćen željezom koji se formira tokom valjanja i žarenja. Kiselo kiseljenje u 10% HNO 3 + 1% HF eliminiše ovaj obogaćeni sloj, smanjujući početno oslobađanje gvožđa za 50-70%. Odredite kisele i pasivizirane cijevi 1. stupnja za mliječnu kiselinu -vrste hrane. Daljnji postupak pasiviranja u 20% azotnoj kiselini na 60 stepeni u trajanju od 60 minuta koristi se za dalje učvršćivanje površine. Elektropolirane površine (Ra<0.2 µm) had the lowest iron release rates (0.2-0.5 µg/cm 2 /day) as the smooth surface has less exposed iron-rich inclusions.

Titanijum 1. stepena mora se koristiti u aplikacijama za preradu hrane kako bi se izbjegla kontaminacija arome pri zagrijavanju otopina mliječne kiseline (10-50%) na 100oC (Grade 2 će isprati). Stupanj 2 ima veći sadržaj željeza (0,30% naspram 0,20% max), što rezultira 2-3 puta većim otpuštanjem željeza, što katalizira oksidaciju mliječne kiseline u pirogrožđanu kiselinu i druga jedinjenja bez{23}}aroma koja se mogu otkriti senzornim panelima. Grade 1 ima kiselu ili elektropoliranu završnu obradu koja minimizira oslobađanje željeza i zadržava čist, neutralan profil okusa potreban za prehrambene proizvode. Tamo gdje je potrebna najveća čistoća okusa (npr. organska hrana za dojenčad, vrhunski mliječni proizvodi) navedite stupanj 1 sa elektropoliranom površinom i tražite dokaz sadržaja željeza (maksimalno 0,10% stvarnih). Stepen 7 i 12 imaju bolju otpornost na koroziju i identične zahtjeve za gvožđem kao i stepen 2, a takođe uzrokuju mrlju ukusa. Ako naručujete titanijumske grijače za mliječnu kiselinu za hranu, obavezno navedite "Titan 1 razreda, kiseli i pasivizirani, za kontakt s hranom." Ovo će osigurati da dobavljač obezbijedi potreban materijal. Stupanj 2 se može koristiti za primjene ispod 80 stupnjeva ili gdje okus nije kritičan, ali Grad 1 je uvijek sigurnija opcija za kvalitet proizvoda.