CC BY
55
УДК 664.144
Н. А. Подледнева, Ю. А. Максименко
ГИГРОСКОПИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БИОМАССЫ ЛАКТОБАКТЕРИЙ И ВОДЫ
N. A. Podledneva, Yu. A. Maksimenko
HYGROSCOPIC CHARACTERISTICS AND THERMODYNAMIC ANALYSIS OF THE INTERACTION OF LACTO-BACTERIA BIOMASS AND WATER
Сушка большинства бактериосодержащих продуктов происходит в области гигроскопического состояния, вследствие чего для расчета процесса используются кривые сорбции -десорбции, по которым определяются вид и энергия связи влаги с материалом. Исследования гигроскопических свойств биомассы лактобактерий Lactobacillus plantarum проводились тензо-метрическим методом Ван Бамелена. Изменение энергии связи влаги с материалом и характер перемещения влаги в исследуемом продукте типичны для биополимеров. Для интенсификации процесса сушки биомассы лактобактерий целесообразно увеличить поверхность массообмена за счет диспергирования продукта (распыление, кипящий слой) и использовать объемные способы энергоподвода. Показано, что порошок биомассы лактобактерий, высушенный распылительной сушкой, относится к порошкам с высокой степенью гигроскопичности. Это обусловлено тем, что значительная часть сухого вещества биомассы приходится на долю гидрофильного компонента - лактулозы. Т аким образом, целесообразно дальнейшие технологические стадии по переработке, фасовке и упаковке выполнять оперативно и при минимальной относительной влажности воздуха рабочих зон.
Ключевые слова: гигроскопические характеристики, биомасса лактобактерий, метод Ван Бамелена, статика, процесс обезвоживания, изотермы сорбции, влагосодержание.
Drying of the majority of bacteria containing products occurs in the hygroscopic condition, therefore curves of sorption - desorption are used for the calculation of the process. And they are used to identify the kind and connection energy of moisture with material. The research of hygroscopic properties of lacto-bacteria biomass (Lactobacillus plantarum) was carried out by means of Van Bamelen’s tensometric method. The change of connection energy of moisture with material and character of moisture moving in the investigated product are typical for biopolymers. It is expedient to increase the surface of mass transfer by means of product dispersion (spray, boiling layer), and use volume ways of power supply, in order to intensify the process of lacto-bacteria biomass drying.
It is shown that the powder of lacto-bacteria biomass, dried up by means of spray drying, is considered to be a powder with a high degree of hygroscopicity. It is caused by the fact that the significant part of solid biomass belongs to the hydrophilic component - Lactulose. Thus, it is expedient to carry out all further technological stages on processing, packing and packing operatively and at minimum relative humidity of the air of working zones.
Key words: hygroscopic characteristics, lacto-bacteria biomass, Van Bamelen’s method, statics, dehydration process, isotherms of sorption, moisture content.
Статика процесса сушки является основным этапом при исследовании различных способов сушки и базой для обоснованного научного анализа кинетики процессов влагоудаления и оценки движущей силы процесса [1, 2]. Сушка большинства бактериосодержащих продуктов происходит в области гигроскопического состояния, вследствие этого для расчета процесса используются кривые сорбции-десорбции, по которым определяются вид и энергия связи влаги с материалом.
Исследования гигроскопических свойств биомассы лактобактерий Lactobacillus plantarum (штамм депонирован во Всероссийской коллекции микроорганизмов под номером ЛТ7) проводились тензометрическим методом Ван Бамелена: образцы биомассы лактобактерий, предварительно обезвоженные сушкой распылением, с заранее определенным влагосодержанием, выдерживались в эксикаторах над водным раствором соляной кислоты, при этом каждой концен-
трации растворов соответствовало при данной температуре Т, К, определенное значение относительной влажности воздуха ф, %, в эксикаторе. Определение равновесного влагосодержания ир осуществлялось в диапазоне ф = 1-100 %, для значений Т = 293 К и Т = 308 К. Исследования проводились с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки результатов. По данным экспериментальных исследований построены изотермы сорбции биомассы лактобактерий (рис. 1).
ф кг/кг
Рис. 1. Экспериментальные изотермы сорбции водяного пара биомассой лактобактерий
Анализ изотерм сорбции водяного пара биомассой лактобактерий (рис. 1) показывает незначительную зависимость сорбционной способности биомассы лактобактерий от температуры. С повышением температуры равновесное влагосодержание ир уменьшается, что характерно для большинства бактериосодержащих препаратов.
По виду изотерм сорбции, согласно классификации, предложенной А. В. Лыковым [1], биомассу лактобактерий можно отнести к группе капиллярно-пористых коллоидных тел, в которых для жидкости характерны различные формы связи влаги с твердым скелетом, присущие как капиллярно-пористым, так и коллоидным телам. Стенки капилляров эластичны и набухают при поглощении жидкости, а при высушивании дают усадку.
Характер изотерм на рис. 1 свидетельствует о сложном механизме процесса влагопогло-щения, при этом наличие точек перегиба указывает на изменение механизма сорбции, а следовательно, и качественное изменение формы связи удаляемой влаги [1, 2]. Соответственно, скорость обезвоживания на различных этапах в процессе распылительной сушки биомассы лактобактерий будет определяться тем или иным видом связи.
На участке изотермы ир < 0,07 кг/кг (рис. 1) сорбционная способность биомассы практически не зависит от температуры. Очевидно, что при сорбции паров воды биомассой на этом участке формируются энергетически прочные гидратные комплексы (кулоновский (ориентационный) характер гидратации) за счет адсорбции сольватных молекул жидкости молекулами внешней и внутренней поверхности мицелл биомассы. Таким образом, на первоначальном участке сорбции происходит образование слоя мономолекулярной адсорбции и поглощение жидкости сопровождается значительным выделением тепла - теплоты гидратации (набухания).
При поляризации последующих слоев предыдущими молекулы воды продолжают находиться в ориентированном состоянии [1-3]. На участке ир = 0,07-0,6 кг/кг изотермы обращены выпуклостью к оси влажности воздуха, что типично для полимолекулярной адсорбции. Поглощение жидкости также сопровождается выделением тепла, однако его количество уменьшается по мере увеличения влагосодержания, что свидетельствует о снижении влияния на молекулы воды физикохимической связи и постепенном приближении к свойствам обычной (свободной) жидкости.
Участку изотермы ир > 0,6 кг/кг (рис. 1) соответствует поглощение жидкости без выделения тепла, а значит, и без изменения внутренней энергии в объеме тела, и при этом увеличение объема в процессе набухания, согласно основному уравнению термодинамики, происходит за счет увеличения энтропии. Это подразумевает, согласно теории С. М. Липатова [2], избирательную диффу-
зию жидкости через замкнутые стенки ячеистой структуры, сформированные нерастворимыми фракциями высокомолекулярного веса, внутрь ячеек (клеток) за счет разности осмотических давлений, которая обусловлена разностью концентраций растворимых фракций низкомолекулярного веса. Для участка изотермы ир > 0,6 также характерно наличие «свободной» жидкости в объеме микро- и макрокапилляров, пор за счет смачивания без выделения тепла.
Для математического описания процесса сорбции биомассы лактобактерий на основе экспериментальных данных были получены аппроксимирующие зависимости относительной влажности воздуха от равновесного влагосодержания продукта ир, кг/кг, и температуры Т, К:
j(Up,T) = (-0,12075 • T + 30,84607)U4p + (0,24405 • T - 61,70143)Up +
+ (-0,17396 • T + 42,59773)Up +(0,04484 • T - 9,27822)Up +(0,00003 • T + 0,04893).
(1)
В основополагающих работах по теории сушки [1, 2 и др.] обоснованы перспективы термодинамического подхода, базирующегося на известных законах классической термодинамики, для анализа и описания процессов массопереноса в объектах обезвоживания.
А. В. Лыковым [2] показано, что в области гигроскопического состояния материала разность химических потенциалов Дц по абсолютной величине равна энергии связи влаги Е или изменению свободной энергии Г ельмгольца:
( _^f ^
3Uр j
= - RT ln j,
где Я = 8,314 - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К).
Зная зависимость (1), можно определить числовые значения энергии связи Е:
(2)
E = -Дт = -R • T • ln
(-0,12075 • T + 30,84607) U4p + (0,24405 • T - 61,70143) Up + + (-0,17396 • T + 42,59773)Uj +(0,04484• T -9,27822)Up + + (0,00003 • T + 0,04893)
(3)
Определим изменение свободной энергии путем дифференцирования известного уравнения Гиббса - Гельмгольца по Up (P, T = const): AF = AE - T-AS, где TAS - связанная энергия; AS - изменение энтропии.
( ЭAF ^
ЭUp
V p Jt,p
ЭU
-T
V p Jt , p
ЭU
(4)
V p Jt , p
При дифференцировании выражения (4) по T получаем: —
ЭТ
ЭЛF
ЭU
р Jt, p
( ЭДЗ ^ ЭUp
V р Jt , p
Тогда, с учетом выражения (2), имеем зависимость для дифференциального изменения энтро-
Э(Я • Т • 1пф)
пии связанной воды:
ЭТ
р УТ,Р
Таким образом, зная зависимость ф(ир, Т), можно определить численные значения
свободной энергии
, связанной энергии T
эффекта)
( ЭД£ ^ ЭUp
V р Jt, p
р Jt, p сорбции (рис. 2).
ЭU
и внутренней энергии (теплового
V р Jt , p
Отрицательное значение дифференциального изменения свободной энергии во всем диапазоне влагосодержания (рис. 2) указывает на высокую гигроскопичность биомассы лактобактерий. Характер изменения энтропийной составляющей во всем диапазоне влагосодержания ир
Г
\
обусловлен стремлением системы к термодинамическому равновесию, причем величина во всем диапазоне имеет отрицательное значение, приближаясь к нулю при увели-
Т
дир
V р /т,р
чении ир, что характерно для большинства биополимерных продуктов [3].
кДж/кг 1000
-1000
-2000
-3000
-аде
-5000
1_
ф *
/ 2 / , /
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
ир, кг/кг
Рис. 2. Зависимость изменений: 1 - свободной энергии; 2 - связанной энергии; 3 - внутренней энергии
при сорбции паров воды биомассой лактобактерий
Дифференциальное изменение внутренней энергии на участке влагосодержания ир < 08 кг/кг отрицательно, т. е. присутствуют тепловые эффекты при сорбции.
Изменение энергии связи влаги с материалом и характер перемещения влаги в исследуемом продукте типичны для биополимеров. Для интенсификации процесса сушки биомассы лактобактерий целесообразно увеличение поверхности массообмена за счет диспергирования продукта (распыление, кипящий слой) и использование объемных способов энергоподвода.
На основе анализа процесса сорбции паров воды биомассой лактобактерий целесообразно рекомендовать конечную влажность продукта Ж< 0,065 кг/кг, что соответствует ир < 0,07 кг/кг для последующего хранения, соответствующую образованию мономолекулярного адсорбционного слоя.
Заключение
Результаты исследований показывают, что высушенный распылительной сушкой порошок биомассы лактобактерий относится к порошкам с высокой степенью гигроскопичности. Это обусловлено тем, что значительная часть сухого вещества биомассы приходится на долю гидрофильного компонента - лактулозы. Таким образом, целесообразно дальнейшие технологические стадии по переработке, фасовке и упаковке выполнять оперативно и при минимальной относительной влажности воздуха рабочих зон. Длительное хранение продукции необходимо осуществлять в герметичной упаковке и в вентилируемых помещениях. Кроме того, результаты экспериментальных исследований необходимо учитывать при разработке технологий функциональных продуктов питания, лечебных и лечебно-профилактических препаратов с использованием порошка биомассы лактобактерий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексанян И. Ю., Буйнов А. А. Высокоинтенсивная сушка пищевых продуктов. Пеносушка. Теория. Практика. Моделирование: моногр. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004. - 380 с.
2. Гинзбург А. С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. - М.: Пищ. пром-сть, 1975. - 527 с.
3. Лыков А. В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 471 с.
Статья поступила в редакцию 13.10.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Подледнева Наталья Александровна - Астраханский государственный технический университет, ассистент кафедры «Технологические машины и оборудование»; podlednevan@mail.ru.
Podledneva Natalia Aleksandrovna - Astrakhan State Technical University; Assistant of the Department "Technological Machines and Machinery"; podlednevan@mail.ru.
Максименко Юрий Александрович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; amxs1@yandex.ru.
Maksimenko Yury Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science; Assistant Professor of the Department "Technological Machines and Machinery"; amxs1@yandex.ru.
