Интенсификация процесса сушки инулинового раствора, полученного экстракцией из растительного сырья Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 66.047.41

Интенсификация продесса сушки инулинового раствора, полученного экстракцией из растительного сырья

Intensification of drying process of inulin solution obtained by

extraction from plant material

Аспирант P.В. Муцаев, доцент A.X.-X. Нугманов, (Астраханский государственный технический университет) кафедра технологических машин и оборудования, тел. (8512)614-191 E-mail: mr.shatoevskiy@mail.ru

оператор А.И. Алексанян (ОАО «Газпром Добыча Астрахань») тел. 8-903-378-62-16

Postgraduate R.V. Mutsaev, Associate Professor A.H.-H. Nugmanov, (Astrakhan state technical university) chair of technological machines and equipment, tel. (8512)614-191 E-mail: mr.shatoevskiy@mail.ru

Operator I.Yu. Aleksanyan (ОАО «Gazprom extraction of Astrakhan») tel. 8-903-378-62-16

Реферат. Органическое вещество инулин (полимер D-фруктозы) входит в группу полисахаридов и представляет собой белую порошкообразную субстанцию, быстрорастворимую в горячей и трудно в холодной воде. Инулин широко используется в медицинской промышленности в качестве заменителя крахмала и сахара, а также в пищевой индустрии при получении широкого спектра продукции. Инулин выделяется из растительного сырья, преимущественно из цикория и топинамбура и имеет эмульгирующие и гелеобразующие свойства благодаря водосвязывающей способности. В технологическом процессе получения инулина наиболее энергопотребляющимн операциями являются экстрагирование, концентрирование и сушка экстракта, которая как заключительный этап в технологии инулина определяет ее эффективность. Определены рабочие параметры диспергирования и факела распыла, выбранных для обеспечения стабильного распыливания и снижения налипания капель на внутреннюю поверхность сушилки. Влияющими на интенсивность процесса влагоудаления факторами являются: температура сушильного агента, начальные температура, содержание влаги в экстракте и давление распыляющего агента, расходы теплоносителя и продукта. Диапазоны изменения факторов выбраны из технико-технологических ограничений процесса обезвоживания. Получены кривые сушки экстракта инулина, на основе которых рассчитывалась удельная производительности сушильной установки, и проанализирован механизм внутреннего тепло- и массопереноса. После обработки результатов экспериментов получена адекватная математическая зависимость удельного съема сухого продукта от влияющих факторов. Получены кривые скорости влагоудаления путем дифференцирования уравнений кривых сушки по зонам, на основе которых находится время влагоудаления. Таким образом, изучение кинетических зависимостей сушки и анализ механизма влагопереноса позволяет не только оперативно управлять процессом, а также выбирать рациональные режимы сушки инули-новых растворов.

Summary. The organic substance inulin (D-fructosc polymer) is part of the group of polysaccharides and is a white powder substance that is rapidly soluble in hot and difficult in cold water. Inulin is widely used in the medical industiy, as a substitute for starch and sugar, as well as in the food industry for obtaining a wide range of products. Inulin is isolated from plant material, mainly from chicory and Jerusalem artichoke and has emulsifying and gel-forming properties, thanks to the water binding ability. In the technological process of obtaining inulin, the most energy-consuming operations are extracting the concentration and drying of the extract, which, as the final stage in inulin technology, determines its effectiveness. The operating parameters of the dispersion and the spray pattern chosen to ensure stable spraying and reduce the sticking of droplets on the inner surface of the dryer are determined. The factors influencing the intensity of the process of moisture removal are: the temperature of the drying agent, the initial temperature, the moisture content of the extract and the pressure of the spraying agent, the coolant and product

© Муцаев P.B., Нугманов A.X.-X., Алексанян А.И., 2018

costs. The ranges of factor changes are selected from the technical and technological limitations of the dehydration process. The curves for drying the extract of inulin were obtained, on the basis of which the specific productivity of the drying plant was calculated and the mechanism of internal heat and mass transfer was analyzed. After processing the results of the experiments, an adequate mathematical dependence of the specific removal of the dry product from the influencing factors was obtained. The curves of the rate of moisture removal are obtained by differentiating the equations of the drying curves for the zones on the basis of which the time for moisture removal is located. Thus, the study of the kinetic dependencies of drying and analysis of the mechanism of moisture transfer allows not only operatively to control the process, but also to choose rational regimes for drying inulin solutions.

Ключевые слова-, инулиновый экстракт, распылительная сушилка, кинетика сушки, механизм влагопереноса, тепломассообмен.

Keywords: inulin extract, spray dryer, kinetics of drying, moisture transfer mechanism, heat and mass transfer.

Органическое вещество инулин (полимер О-фруктозы) входит в группу полисахаридов и представляет собой белую порошкообразную субстанцию, быстрорастворимую в горячей и трудно в холодной воде. Он широко используется в медицинской промышленности как заменитель крахмала и сахара, а также в пищевой индустрии при получении широкого спектра продукции для диетического и профилактического питания.

В технологическом процессе получения инулина наиболее энергопотребляющими операциями являются экстрагирование, концентрирование и сушка экстракта, которая как заключительный этап в технологии инулина определяет ее эффективность.

Выбор конструкции распылительных сушильных аппаратов осуществляется исходя из технико-экономических требований и технологических ограничений, обусловленных комплексом свойств объекта обезвоживания, особенностями диспергирования, а также интенсивностью процесса сушки. Вследствие высокой адгезии высохшего инулина и когезии в нем, подверженного стеклованию и трудно отделяемого от рабочей поверхности сушилок, применение для его обезвоживания кондуктивных сушилок (вальцовых, конвейерных и др.), а также аппаратов с кипящим слоем на инертных телах нерационально в связи с высокими энергозатратами при съеме сухого продукта и дальнейшем его измельчении. Отсюда напрашивается вывод о целесообразности использования распылительных сушильных установок.

Цель работы - изучение кинетики сушки раствора инулина, моделирование нестационарных тепло- и массопереноса с учетом гидродинамики дисперсного слоя и определение скорости влагоудаления продуктов в разных агрегатных состояниях для разработки высокоэффективных аппаратов для обезвоживания продуктов в распыленном состоянии при конвективном энергоподводе.

Изучение процесса влагоудаления проводилось на лабораторном оборудовании кафедры технологических машин и оборудования (рис. 1,2). Перед сушкой исходное содержание влаги в экстракте изменялось в пределах Шн = 0,75-0,95 кг/кг, которые были выбраны для обеспечения максимальной удельной производительности по высушенному объекту исследования и стабильного функционирования распылителя при рациональных и неизменных в процессе опыта параметрах факела распыла (дальнобойность, корневой угол, средний размер дисперсных частиц).

Конечное содержание влаги в продукте Wk =0,1 кг/кг с учетом технологических ограничений физико-химических характеристик сухих продуктов и результатов исследования статических закономерностей процесса сушки.

Рис. 1. Опытная сушилка: а - общий вид; б - схема опытной распылительной сушилки: 1 - электрический калорифер СФО-20/10 УХЛЗ; 2 - байпасная линия с регулирующим дросселем; 3 - термопара; 4 - форсунка-распылитель; 5 - штуцеры отбора проб материала; 6 - рабочая камера; 7 - трубопровод для вывода продукта и сушильного агента из зоны обезвоживания; 8 - емкость для сбора готового продукта; 9 - опоры. Потоки: I - сушильный агент; II - исходный продукт на распыление; III - отработавший сушильный агент в циклон; IV - сухой продукт в циклон

Отбор проб объекта исследования в процессе обезвоживания проводился путем улавливания капель гидрофобным материалом. Исходный раствор (II) с начальной влажностью \¥н (рис. 1) подавался в сушилку 6 акустической форсункой с газоструйным излучателем Гартмана 4 (рис. 2, а) при среднем размере дисперсных частиц 20...30 мкм. Для подачи в форсуночные каналы диспергирующего воздуха и регулирования его напора и расхода применялся поршневой компрессор Atmos Bobby 4/46 (рис. 2,6), снабженный системой фильтрации воздуха.

Рабочие параметры факела распыла выбраны на основе экспериментов, проведенных для обеспечения стабильного распыливания и снижения налипания капель на внутреннюю поверхность сушилки. Продолжительность витания частиц материала в сушилке определялась при варьировании расходов сушильного агента. Характеристики факела распыливания:

Корневой угл, град.............................................................................120-135

Дальбойность, м.................................................................................0,30-0,65

Средний характерный размер рыспыленных частиц, мкм.................20-30

Влияющими на интенсивность процесса влагоудаления факторами, принимая во внимание [1], являются: температура сушильного агента Тс.а. , К и исходная температура объекта ТпроД., К. ТПроД. можно повысить предварительным нагревом экстракта, в частности, при выпаривании [2, 3].

(») (б)

Рис. 2. Акустический распылитель с излучателем Гартмана (а) и компрессор (б)

По трубопроводу 7 потоки отработанного воздуха III и высушенного порошкообразного продукта IV направлялись для разделения в циклон. Сухой продукт собирался в емкости 8. К ним также относят расходы сушильного агента и продукта; начальное содержание влаги в экстракте, давление распыляющего агента. Диапазоны изменения факторов (табл. 1) выбраны из технико-технологических ограничений процесса обезвоживания. Оптимальные значения расходов материала и сушильного агента, а также напор распыляющего агента получены на основе аналитического расчета процесса обезвоживания и данных экспериментальных исследований [4].

Расход продукта, поступающего на обезвоживание, кг/ч:

Мш =Риэ-0иэ

9

Риэ , о 0иэ ^ О ,

где - плотность, кг/м-3; - объемный расход экстракта, м3/ч.

Конечная влажность порошка инулина И/к = 0,1 кг/кг. Производительность по сухому продукту, кг/ч:

М,

СП

_Миэ-(1-ИО/

/(1-^к)

Таблица 1

Факторы и уровни их варьирования

Уровни Факторы

Т, К Wh, кг/кг

1 383 0,80

2 403 0,86

3 423 0,90

За целевую функцию взят удельный съем сухого продукта с единицы объема камеры в единицу времени I, кг/ (м3-ч):

1=Мсп

V

суш.камсры

где Усуш. камеры - рабочий объем сушилки, м3.

Для расчета удельной производительности по сухому продукту время влаго-удаления заменяем средней длиной пробега частицы, зависящей от продолжительности витания частицы в сушилке, определяемой объемом продуктопроводов и рабочей камеры.

Экспериментально установлено, что:

суш.камсры ^

9

где г - продолжительность сушки, с.

Относительная погрешность среднего результата расчета содержания влаги не превышала г = 13 %.

На рис. 3, в качестве примера показаны полученные кривые сушки раствора инулина, на основе которых рассчитывалась удельная производительность сушильной установки, и проанализирован механизм внутреннего тепло- и массопереноса. Обработка результатов исследований позволила получить математическую зависимость удельного съема сухого продукта от влияющих факторов (1). Достоверность аппроксимации К2 для всех зависимостей была не менее 0,9.

На рис. 4 показана графическая интерпретация удельной производительности, рассчитанной по уравнению (1) в зависимости от температуры теплоносителя и исходного влагосодержания инулинового раствора, что позволило рекомендовать оптимальные режимы сушки и максимум целевой функции Т = 423 К, Сн =0,15 кг/кг, I = 1,36 кг/(м3-ч):

/(СН,Г) = [(о,080798- Т2 -64,5927 -Т + 12922,1199)-Сн2]+ (- 0,150331 ■ Т2 +120,07958 • Т - 24006,17648)- Сн]+ 0,0698771 - Т2 - 55,762216 • Т +11139,1788422]

(1)

т. с

Рис. 3. Кривые сушки инулинового раствора при Т = 383 К: 1 - при Шн = 0,8 кг/кг; 2 - при Шн = 0,86 кг/кг; 3 - при Шн = 0,9 кг/кг

Рис. 4. Зависимость удельного съема сухого продукта от температуры теплоносителя и содержания сухих веществ в экстракте

Рост I при снижении начального содержания влаги в растворе инулина обусловлен уменьшением массы удаляемой влаги и, как следствие, времени сушки. При превышении нижнего уровня исходной влажности (Шн = 0,75 кг/кг), наблюдается увеличении энергетических затрат на диспергирование. С ростом Т производительность значительно повышается, однако рост Т негативно влияет на качество готовой продукции (растворимость, эмульгирующие, гелеобразующие и лечебные характеристики и профилактические показатели), особенно при малой влажности. Верхний предел Т ограничен на уровне 423 К. При высокоинтенсивном нагревании внутри высоковлажной частицы образуются паровые пузырьки, расширение которых приводит к снижению скорости обезвоживания («парниковый» эффект) и при разрыве оболочки, к ее росту, что отражено на кривых скорости сушки (рис. 5).

Наличие характерных зон и точек на кривых сушки можно объяснить явлениями прогрева, испарения свободной влаги, образования сухой поверхностной корочки при уменьшении скорости влагоудаления и росте температуры [1].

Для примера на рис. 5 показаны кривые скорости влагоудаления, полученные путем дифференцирования уравнений кривых сушки по зонам, по которым находится время влагоудаления. Для того чтобы оба аргумента, по которым проводится

с\\

дифференцирование, возрастали при сушке, а функция была положительной, учитывая, что влажность материала в процессе сушки снижается, заменяем влаж-

д\\> _ ос

ность на содержание сухих веществ с (с = 1 - и>), ги = 1- с, 01 .

Функциональные зависимости для скорости сушки (2), кинетических коэффициентов (3), (4) и границ зон обезвоживания (5) экстракта инулина:

\d\\

dx

и

где Ai и Bi - кинетические коэффициенты обезвоживания; i - порядковый номер зоны сушки (табл. 2);

A. = (а\, - Т2 + М, • Т + ei,.)- WH2 + (a2i - Т2 + blt ■ Т + c2t )• WH +

+ (аЗгТ2 +Ь3, ■Т + сЗ,) v ' ' ; (3)

B, = (dl, ■ Т2 + el, ■ Т + А). Wh2 + [d2, ■ Т2 + el, ■ Т + /2,)• 1¥н + + {d3i • Т2 + еЗ( • Т + /3.)

где ali, bli, elf, а'2ъ Ь2,:, с2г, аЗ,-, ЬЗ,-, c3i, dl,-, eli, /1d2i, e2f2h d3i, e3,, f3i - эмпирические коэффициенты (табл. 3).

ас/ат>

K2/(K2-C) s

3 _______

Г J

с, кг/кг

Рис. 5. Кривые скорости сушки инулинового раствора при Т = 383 К: 1 - Wh = 0,9 кг/ кг; 2 - Wh = 0,6 кг/кг; 3 - Wh = 0, 25 кг/ кг

Таблица 2

Кинетические коэффициенты сушки инулинового раствора по зонам

Зона

№ эксп. т , , к 1 2 3

А В А В А В

1 383 0,85 -0,00303 0,00809 0,013 -0,035 -0,00357 0,14681

2 383 0,9 -0,00105 0,00223 0,014 -0,028 -0,00052 0,03

3 383 0,95 0,00302 -0,00312 0,000019 0,012 -0,00039 0,019

4 403 0,85 0,010 -0,011 -0,00404 0,062 0,000329 -0,0038

5 403 0,9 -0,00629 0,012 0,028 -0,055 -0,00236 0,059

6 403 0,95 -0,00905 0,017 0,028 -0,052 -0,00167 0,058

7 423 0,85 -0,059 0,107 0,104 -0,188 -0,00097 0,046

8 423 0,9 -0,00852 0,017 0,063 -0,123 -0,0032 0,17

9 423 0,95 -0,00672 0,014 0,048 -0,096 -0,00373 0,191

При уменьшении размера частицы меньше критического происходит ее «разворот», и паровая пленка из частицы выходит наружу и обволакивает ее, освобождая структурную влагу, что, однако, ухудшает тепло- и массоперенос, т.к. окружающая пленка становится «изолятором».

Границы характерных участков (табл. 4):

Щ = {г\) ■ Т2 + л-1, • Т + VI,)• Жн2 + (z2J ■ Т2 + х2у ■ Т + )• + + (гЪ ■ Т2 + хЪ - • Т + уЗ )

, (5)

где 21/, х1ь гЛ;, х2,, г;2;, гЗ,, хЗ;, иЗь - эмпирические коэффициенты (табл. 4); 7 - порядковый номер границы зоны сушки (граница 1-й и 2-й зон - ] = 1, граница 2-й и 3-й7= 2).

Таблица 3

Эмпирические коэффициенты уравнений кинетических коэффициентов сушки инулинового раствора по зонам

Коэффициенты Зона

1 г = 1 2 7 = 2 3 7= 3

- 0,0186015 0,01864496 - 0,0019655

61, 14,739471 - 14,81890657 1,6072588

с1, - 2916,1671908 2937,5940571 - 327,85234731

а21 0,03469823 - 0,0352053114 0,00359216

Ь21 - 27.4992659 27,988956321 - 2,93835068

с2, 5441,67763119 - 5550,2043647 599,539044

аЪ - 0,0113554975 0,01660967797 - 0,00163969453

И, 8,479149983 - 13,20754899 1,3415775

сЗ, - 1664,7906652822 2619,70795 - 273,80028323

а'1 0,031476 - 0,06151 0,0318

е\ - 24,935465 49,2228 - 26,705

Окончание табл. 3

Коэффициенты Зона

1 i= 1 2 i= 2 3 i=3

А 4933,149908 - 9822,67486 5580,89992

dl г - 0,05867385 0,1153181 - 0,0586

е2, 46,4886022 - 92,293996 49,2102

А - 9198,61996182 18421,5471256 - 10288,5715

d\ 0,027303917 - 0,05401106 0,027079

- 21,63623774 43,2319326 - 22,73847

А 4281,6798419 - 8630,22389834 4754,799538

Таблица 4

Эмпирические коэффициенты уравнений границ характерных участков

Коэффициенты Граница 1-й 2-й зон, 7= 1 Граница 2-й 3-й зон, /= 2

0,03681 0,043

.П, -28,6021 -32,56

5519,475 6141,185

-0,0709531 -0,08289

55,239531 63,3778

Л -10684,8099 -12012,42249

z3, 0,03405156 0,0398

х3; -26,5571906 -30,5372

5147,86211 5810,8518

Таким образом, изучение кинетических зависимостей сушки и анализ механизма влагопереноса позволяет не только оперативно управлять процессом, но и выбирать оптимальные режимы инулиновых растворов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Максименко, Ю.А. Механизм и аномальные термодинамические особенности статического взаимодействия пищевых продуктов с водой [Текст]/ Ю.А. Максименко, C.B. Синяк, P.A. Хайбулов // Труды Второй Междунар. науч.-практ. конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)».- 2005,- Т. 2.- С. 110-113.

2. Чуешов, В.И. Промышленная технология лекарств. Электронный учебник [Электронный ресурс]/ В.И. Чуешов, Е.В. Гладух, O.A. Ляпунова [и др.].- Харьков, 2010.

3. Cortes-Rojas D.F. Physicochemical properties of phytopharmaceutical preparations as affected by drying methods and carriers/ / Diego F. CortesRojas, Wanderley P. Oliveira/ / Drying Technology - DRY TECHNOL, vol.30, № 9. 2012. P. 921-934.

4. Титова, A.M. Разработка и ттаучттое обоснование способа сушки пищевых волокон [Текст]: дис. канд. тех. наук / Титов A.M. - Астрахань, 2009.- 54 с.

5. Петровичев, О.А. Исследование тепломассообменных и гидромеханических процессов при распылительной сушке пектинового экстракта [Текст]: автореф. дис. канд. тех. наук / Петровичев О.А. - Астрахань, 2007,- 58 с.

1. Maksimenko Y.A. Mehanizm i anomalnyie termodinamicheskie osobennosti staticheskogo vzaimodeystviya pischevyih produktov s vodoy [Mechanism and anomalous thermodynamic features of static interaction of food products with water] / Y.A. Maksimenko, S.V. Sinyak, R.A. Haybulov // Proceedings of the Second International Scientific and Practical Conference "Modern energy-saving thermal technologies (diying and thermal processes) ». M.: MEI, 2005. Tom 2. p. 110-113.

2. Chueshov, V.l. Promyishlennaya tehnologiya lekarstv [Industrial technology of medicines]. Electronic textbook / V.l. Chueshov, E.V. Gladuh, O.A. Lyapunova, I.V. Sayko, A.A. Sichkar, E.A. Ruban, T.V. Krutskih// National pharmaceutical university, Department of Plant Technology of Medicines. Kharkiv, 2010.

3. Cortes-Rojas D.F. Physicochemical properties of phytopharmaceutical preparations as affected by drying methods and carriers/ / Diego F. CortesRojas, Wanderley P. Oliveira/ / Diying Technology - DRY TECHNOL, vol.30, № 9. 2012. P. 921-934.

4. Titova L.M. Razrabotka i nauchnoe obosnovanie sposoba sushki pischevyih vo-lokon [Development and scientific substantiation of a method of drying of food fibers]: diss. Cand. those, sciences. - Astrakhan, 2009. 54 p.

5. Petrovichev O.A. Issledovanie teplomassoobmennyih i gidromehanicheskih protsessov pri raspyilitelnoy sushke pektinovogo ekstrakta [Investigation of heat and mass exchange and hydromechanical processes during spray diying of pectin extract]: the author's abstract.diss. cand. those, sciences. - Astrakhan, 2007. 58 p.

REFERENCES