CC BY
100
УДК 664.8.047
Профессор И.Ю. Алексанян, ассистент Н.П. Васина (Астраханский гос. технич. ун-т) Институт Нефти и Газа, кафедра технологических машин и оборудования, тел. 8 (8512)614-469, E-mail: shtefanova_olga@mail.ru
Professor I.Yu. Aleksanyan, Assistant N.P. Vasina (Astrakhan state technical university) Institute of Oil and Gaza, chair of technological machines and equipment, tel. 8 (8512)614-469 E-mail: shtefanova_olga@mail.ru
Исследование кинетики сушки защитного покрытия лечебно-профилактических пищевых добавок
Research of kinetics of drying of a sheeting of the treatment-prophylactic food additives
Реферат. Представлены результаты изучения кинетики сушки пищевого покрытия гранул. Получены кривые скорости сушки на основе экспериментальных данных. Исследован механизм тепломассопере-носа на основе кривых скорости сушки пищевой оболочки гранул. Исследования кинетики сушки защитной оболочки в кипящем слое проводились по полному многоуровневому многофакторному плану с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных. Анализ литературы и постановочные эксперименты позволили установить, что основными факторами, влияющими на интенсивность тепломассообмена в процессе конвективной сушки в псевдоожиженном слое, являются: начальная влажность продукта wH , температура Т и скорость V сушильного агента. Оптимальными значениями указанных параметров являются: начальная влажность пищевого состава для получения оболочки ivH = 0,95 кг/кг; скорость потока сушильного агента V = 5,5 м/с; температура сушильного агента Т = 298 К. Исследование кинетики конвективной сушки покрытия гранул проводилось на экспериментальной установке. В ходе опытов при различных температурных режимах осуществлялась регистрация убыли массы периодически извлекаемых из зоны сушки образцов при помощи аналитических весов. Получены зависимости влажности и> от времени сушки г. Для математического описания кинетики процесса сушки покрытия по экспериментальным данным были получены аппроксимирующие функциональные зависимости скорости сушки оболочки.
Summary. The paper presents the results of a study of the drying kinetics of food coating granules, including curves obtained drying rate, on the basis of experimental data. The mechanism of teplomassoperenosa based on the velocity curves of drying food shell granules. Experimental studies of the kinetics of drying of the protective sheath in a fluidized bed were carried out on full multilevel multifactor plan using probability and statistical methods for planning and processing of experimental data. The analysis of the literature and staged experiments have allowed to establish that the
© Алексанян И.Ю., Васина Н.П., 2014
main factors influencing the intensity of heat and mass transfer during convective drying in the fluidized bed are: initial moisture content of the product им, temperature T and velocity V of the drying agent. The optimal values of these parameters are: the initial moisture content of the food composition to obtain a shell ivH = 0,95 kg/kg; the flow rate of the drying agent V = 5,5 m/s; the temperature of the drying agent T = 298 K. Study of kinetics of convective drying of the coating of the granules was conducted on the experimental setup. During the experiments at different temperatures were carried out registration of the decrease of the mass periodically extracted from the zone of drying samples using an analytical balance. The dependences humidity u> on the drying time r, on the basis of approximation of the experimental data. For the mathematical description of the kinetics of the drying process of the coating according to the experimental data were obtained approximate functional dependence of the rate of drying of the shell.
Ключевые слова: тепломассообмен, сушка, защитное покрытие.
Keywords: heat and mass transfer, drying, protective coating
При производстве гранулированных продуктов гранулы часто покрывают оболочками, в основном с целью придания привлекательного внешнего вида (выравнивание неровностей поверхности, цвет) и обеспечения требуемого технологией вкуса [1]. Процесс нанесения покрытия на поверхность гранул состоит из следующих стадий:
- псевдоожижение слоя гранул;
- распыление пищевого состава в псевдоожиженный слой гранул для получения
покрытия;
- формирование слоя пищевого покрытия на поверхности гранул;
- сушка слоя пищевого покрытия.
Изучение физических механизмов, которые обусловливают внутренний массо-перенос, проводилось в [2, 3, 4, 5]
Методы описания кинетики процесса сушки можно классифицировать следующим образом [6]:
1) теоретические (аналитические и численные), в основу которых положено решение дифференциальных уравнений тепломассопереноса;
2) полуэмпирические, в основе которых лежит решение системы уравнений тепломассообмена при использовании методов обобщения и упрощений, свойственных, например, теории физического подобия;
3) эмпирические.
Сложность решения дифференциальных уравнений тепломассопереноса (ввиду их нелинейности) обусловливает целесообразность использования различных эмпирических и полуэмпирических методов [7, 3].
Основные полуэмпирические методы можно разделить по следующим признакам [5, 6]:
- аппроксимируется рассредоточение влагосодержания по всему объему тела;
- аппроксимируется кривая скорости сушки;
- численными методами решается система дифференциальных уравнений тепломассопереноса [7].
Эмпирические функции могут быть использованы для приведения системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса к уравнению массопроводности и построению на его основе математического описания процесса сушки [5] или к решению задач кинетики сушки на основе уравнения теплопроводности [8, 9]. Максимальный эффект использования методов кинетического расчета с помощью экспериментальных кривых сушки достигается в случае их получения для малого объема аппарата. Справедливое значение для всего аппарата определяется путем
последующего присоединения уравнений материального и теплового баланса к микрокинетическому уравнению. В данном случае имеется возможность обосновать решение задачи масштабирования - переход от результатов лабораторных исследований к промышленным аппаратам.
В ходе экспериментов по изучению кинетики сушки при различной начальной влажности состава для получения пищевого покрытия гранул лечебно-профилактических пищевых добавок исследуемый образец периодически извлекался из сушильной камеры специальным пробоотборником, изготовленным из металлической мягкой сетки, и взвешивался при помощи и весов (2-й класс точности по ГОСТ 24104-88).
Экспериментальное изучение кинетики сушки пищевой оболочки в кипящем слое проводилось на основе полного многофакторного плана с последующей обработкой экспериментальных данных. Анализ литературы [10, 7, 6] и эксперименты показали, что основными факторами, влияющими на теплообмен при конвективной сушке в псевдоожиженном слое, являются начальная влажность продукта м>и, кг/кг, температура Т, К, и скорость V, м/с, сушильного агента.
Установлено, что оптимальными значениями указанных параметров являются:
- начальная влажность пищевого состава для получения оболочки м>н = 0,95 кг/кг;
- скорость потока сушильного агента V = 5,5 м/с;
- температура сушильного агента Т = 298 К.
Диапазон варьирования температуры теплоносителя Гс.а = 298-308 К. Верхний предел Гс.а = 308 К установлен на основании анализа качественных характеристик получаемых покрытий. При превышении указанной температуры наблюдались эффекты агломерации слоя гранул.
Значения текущей влажности в покрытии ю, кг/кг, рассчитывались по формуле
да-да,(1-й;,)
11' =
т.
где тн - начальная масса образца продукта, кг; т, - текущая масса продукта, кг; - начальная влажность, кг/кг.
На основе аппроксимации экспериментальных данных, представленных точками на рис. 1, получены зависимости влажности ш, кг/кг, от времени сушки х, с. Результатом математической обработки кривых сушки явились аппроксимирующие функции влажности от времени ги = /(х).
\
X 2 з
V ч V V
\ \ \
\ \ N
\ > \
> \ \
\ \ \
\ V \
V V >
42
I. С
Рис. 1. Экспериментальные кривые сушки пищевой оболочки при Т = 298 К, кг/кг: 1 - 0,85; 2-0,9; 3- 0,95
я»
Кривые сушки отображают зависимость влажности ш от времени обезвоживания и позволяют получить кривые скорости сушки.
На рис. 2 представлены кривые скорости сушки пищевой оболочки гранул при различных значениях температуры сушильного агента, полученные дифференцированием уравнений кривых обезвоживания.
Для удобства расчета и анализа желательно, чтобы оба аргумента, по которым
ведется дифференцирование, возрастали в процессе обезвоживания, а функция
дт
не была отрицательной ввиду уменьшения влажности продукта в процессе сушки, в связи с чем заменим влажность на концентрацию сухих веществ, учитывая формулу их связи ш = 1 - с, ^ = _ —.
дт дт
Рис. 2. Кривые скорости сушки пищевой оболочки гранул при Т = 298 К, кг/кг: 1 - 0,85; 2 - 0,9; 3 - 0,95
Анализируя кривые скорости сушки, можно выявить механизм переноса влаги [2, 7, 3].
Сушку исследуемой оболочки на водной основе можно разделить на две основные стадии: жидкостной диффузии (перенос влаги в самой оболочке), газовой диффузии и фазового превращения первого рода, т. е. перехода влаги из жидкого состояния в пар.
Первая стадия сушки характеризуется высоким содержанием влаги в оболочке и большими значениями скорости жидкостной диффузии. В течение этого периода происходит испарение несвязанной влаги с поверхности материала. По мере подсыхания покрытия скорость диффузии влаги в оболочке снижается, что, в свою очередь, снижает скорость сушки. В нашем эксперименте на рис. 2 при с~ О,ОБОД 6 кг/кг на кривых скорости сушки присутствует точка перегиба, которая характеризует изменение механизма внутреннего массопереноса.
Затем наблюдается аномальный рост скорости, объясняемый внутренней структурой оболочки, которую можно отнести к капиллярно-пористым коллоидным телам. Осмотическая, иммобилизационная и структурная влага - свободная влага, которая механически удерживается осмотическими силами и стенками полупроницаемых оболочек. Рост скорости сушки в начале процесса обезвоживания определяет испарение влаги преимущественно внутрь частицы с образованием пузырька пара и пленки и обусловлен снижением энергии связи влаги с материалом из-за разрушения клеточных мембран или мицелл при повышении внутреннего давления. Перемещение влаги через пленки структуры к поверхности частицы происходит в основном в виде пара, скорость диффузии усиливается градиентом давления пара.
Анализ литературы и исследования кинетики обезвоживания пищевого покрытия гранул лечебно-профилактических пищевых добавок показали, что основными факторами, влияющими на теплообмен при конвективной сушке в псевдо-ожиженном слое, являются: начальная влажность продукта, температура и скорость сушильного агента. Установлены оптимальные значения указанных параметров. Дифференцированием уравнений кривых обезвоживания получены кривые скорости сушки пищевой оболочки гранул при различных значениях температуры сушильного агента.
Анализ кривых скорости сушки позволил установить, что процесс сушки исследуемой оболочки на водной основе проходил по принципам известного механизма переноса влаги, в рамках которого процесс сушки можно разделить на две стадии.
Первая стадия характеризуется высоким содержанием влаги в оболочке и большими значениями скорости жидкостной диффузии. Подсыхание покрытия приводит к снижению скорости диффузии влаги в оболочке и, как следствие, к снижению скорости сушки.
Затем наблюдается рост скорости сушки, обусловленный снижением энергии связи влаги с материалом из-за разрушения клеточных мембран или мицелл при повышении внутреннего давления. Перемещение влаги через пленки структуры к поверхности частицы происходит в основном в виде пара, скорость диффузии усиливается градиентом давления пара.
ЛИТЕРАТУРА
1. Флисюк, Е.В. Исследование нанесения пленочных покрытий на таблетки в аппаратах барабанного типа «coater» [Текст] / Е.В. Флисюк / / Химико-фармацевтический журнал.- 2004. Т. 38.- № 10.- С. 67-69.
2. Алексанян, И. Ю. Развитие научных основ процессов высокоинтенсивной сушки продуктов животного и растительного происхождения [Текст] : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / И. Ю. Алексанян. - М.: МГУПБ, 2001.- 52 с.
3. Лыков, А. В. Тепломассообмен [Текст] / A.B. Лыков. - М.: Энергия, 1978.- 478 с.
4. Максименко, Ю. А. Совершенствование тепломассообменных процессов при сушке кормовых дрожжей в диспергированном состоянии [Текст] : автореф. дис. канд. техн. наук / Ю.А. Максименко.- Астрахань: Изд-во АГТУ, 2005.- 21 с.
5. Рудобашта, С.П. Исследование кинетики процесса конвективной сушки с учетом массопроводности [Текст] : дис. канд. техн. наук / С.П. Рудобашта. - М.: МИХМ, 1967,- 136 с.
6. Рудобашта, С. П. Математическое моделирование процесса сушки дисперсных материалов [Текст] / С.П. Рудобашта // Изв. Акад. наук. Энергетика.- 2000. - № 4,- С. 98-109.
7. Лыков, А. В. Теория сушки [Текст] / А. В. Лыков.- М.: Энергия, 1968.- 471 с.
8. Лебедев, П. Д. Расчет и проектирование сушильных установок [Текст] / ПД. Лебедев.- М.: Госэнергоиздат, 1963.- 320 с.
9. Лебедев, П. Д. Высокотемпературная сушка материалов под действием внутреннего градиента давлений пара [Текст] / ПД. Лебедев / / Тр. Моск. энерг. ин-та. -1958. Вып. 30.- С. 169-178.
10. Маклауд, Грэм С. Современные решения по нанесению покрытий на таблетки [Текст] / Грэм С. Маклауд // Фармацевтические технологии и упаковка.- 2001. -№ 6-7 (84-85).
REFERENCES
1. Flisiuk, E. V. Study of the application of the film coatings on tablets in the drum type «coater» [Text] / E.V Flisiuk / / Khimiko-farmatsevticheskii zhurnal.- 2004.-Vol. 38.- № 10.- P. 67-69.
2. Aleksanian, I. Yu. Avtoreferat dis. dok. tekhn. nauk Development of scientific bases of the processes of high-intensity drying of products of animal and vegetable origin. [Text] / I. Yu. Aleksanian .- Moscow, MGUPB.- 2001.- 52 p.
3. Lykov, A. V. Heat exchange [Text] / A.V. Lykov.- Moscow, Energiia Publ., 1978. -478 p.
4. Maksimenko, Yu. A. Avtoreferat dis. kand. tekhn. nauk Improving heat and mass transfer processes during drying of fodder yeast in dispersed state [Text] / Yu. A.Maksimenko.- Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2005.- 21 p.
5. Rudobashta, S. P. Study of the kinetics of the convective drying process, taking into account misoprostole [Text] / S. P. Rudobashta.- Moscow, MIKhM, 1967.- 136 p.
6. Rudobashta, S. P. Mathematical modeling of drying of dispersed materials [Text] / S. P. Rudobashta // Izvestiia Akademii nauk. Energetika.- 2000.- № 4.- P. 98-109.
7. Lykov, A. V. Theory of drying [Text] / A. V. Lykov.- Moscow, Energiia Publ., 1968. -471 p.
8. Lebedev, P. D. Calculation and design of drying systems [Text] / P.D. Lebedev. -Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1963.- 320 p.
9. Lebedev, P. D. High-temperature drying of materials under the action of internal pressure gradients pair [Text] / P.D. Lebedev // Trudy Moskovskogo energeticheskogo instituta, 1958, iss. 30.- P. 169-178.
10. Maklaud, Grem S. Modern coating on the pill [Text] / Grem S. Maklaud // Far-matsevticheskie tekhnologii i upakovka.- 2001.- № 6-7 (84-85).
