CC BY
5
Научная статья УДК 663.48
DOI: 10.36718/1819-4036-2022-2-199-208
Татьяна Германовна Короткова10, Александра Сергеевна Данильченко2, Наталья Юрьевна Истошина3
123 Кубанский государственный технологический университет, Краснодар, Россия
1 korotkova1964@mail.ru
2 danilchenkoas@inbox.ru
3 mnu32@mail.ru
ИЗМЕНЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ЖИДКИХ РАСТВОРОВ ПРИ СУШКЕ
Кинетику сушки влажных материалов принято изображать в виде графических зависимостей кривой сушки в координатах «влагосодержание - время сушки» и кривой скорости сушки в координатах «скорость сушки - влагосодержание». При небольшой концентрации (4-10 %) сухих веществ в растворе влагосодержание в начальный момент времени является очень большим и может составлять более 10 000 %, а в конце процесса сушки становится равным равновесному влагосодержанию, которое на кривой сушки практически сливается с осью абсцисс. Цель исследования - выявление закономерностей графической зависимости «влажность раствора - время сушки» для жидких растворов и высоковлажных материалов. Предложено дополнить исследование кинетики сушки жидких растворов с концентрацией сухих веществ менее 10 % графической зависимостью «влажность раствора - время сушки». В качестве объектов исследования рассмотрены смеси: фильтрат пивной дробины, пивная дробина, вода - масло, вода - сахар, вода -белок (белок смешан с дистиллированной водой, нагретой до 100 °С). Температура сушильного агента 60 °С. Приведены экспериментальные данные по кинетике сушки жидкого раствора дистиллированная вода - денатурированный белок, полученного путем выдерживания гомогенного раствора дистиллированная вода - нативный белок на водяной бане при 110 °С с последующей сушкой при температуре 60 °С. Рассмотрена морфология структурообразования высушенных растворов с нативным белком и денатурированным. Нативный белок, растворенный в дистиллированной воде, после сушки представляет собой сплошную тонкую мутную пленку, а пленка денатурированного белка является прозрачной, изрезанной, неравномерной по толщине и с четко выраженными неровностями. Установлено, что характер зависимости «влажность раствора - время сушки» при малом значении концентрации сухих веществ является крутым, при увеличении концентрации - становится пологим, характерным для большинства влажных материалов. Удаление свободной влаги соответствует двум участкам на данной кривой. Ключевые слова: жидкий раствор, кинетика сушки, влажность раствора Для цитирования: Короткова Т.Г., Данильченко А.С., Истошина Н.Ю. Изменение влажности жидких растворов при сушке // Вестник КрасГАУ. 2022. № 2. С. 199-208. DOI: 10.36718/1819-40362022-2-199-208.
Tatyana Germanovna Korotkova10, Alexandra Sergeevna Danilchenko2, Natalia Yurievna Istoshina3
123 Kuban State Technological University, Krasnodar, Russia
1korotkova1964@mail.ru
2danilchenkoas@inbox.ru
3mnu32@mail.ru
© Короткова Т.Г., Данильченко А.С., Истошина Н.Ю., 2022 Вестник КрасГАУ. 2022. № 2. С. 199-208. Bulliten KrasSAU. 2022;(2):199-208.
CHANGES IN THE LIQUID SOLUTIONS HUMIDITY DURING DRYING
The drying kinetics of wet materials is usually depicted as graphic dependences of the drying curve in the coordinates "moisture content - drying time" and the drying rate curve in the coordinates "drying speed - moisture content". At a low concentration (4-10 %) of solids in the solution, the moisture content at the initial moment of time is very large and can be more than 10,000 %, and at the end of the drying process it becomes equal to the equilibrium moisture content, which practically merges with the abscissa axis on the drying curve. The purpose of the study is to identify the regularities of the graphic dependence "solution moisture - drying time" for liquid solutions and high-moisture materials. It is proposed to supplement the study of the kinetics of drying liquid solutions with a solids concentration of less than 10 % with a graphical dependence "solution moisture - drying time". The following mixtures were considered as objects of study: brewer's grain filtrate, brewer's grain, water - oil, water - sugar, water - protein (protein is mixed with distilled water heated to 100 °C). The temperature of the drying agent is 60 °C. Experimental data are presented on the kinetics of drying a liquid solution of distilled water - denatured protein obtained by keeping a homogeneous solution of distilled water - native protein in a water bath at 110 °C followed by drying at a temperature of 60 °C. The morphology of structure formation of dried solutions with native and denatured proteins is considered. The native protein dissolved in distilled water, after drying, is a continuous thin cloudy film, and the denatured protein film is transparent, indented, uneven in thickness and with clearly defined irregularities. It has been established that the nature of the dependence "solution moisture - drying time" at a low concentration of solids is steep, with an increase in concentration it becomes flat, characteristic of most wet materials. The removal of free moisture corresponds to two sections on this curve.
Keywords: liquid solution, drying kinetics, solution humidity
For citation: Korotkova T.G., Danilchenko A.S., Istoshina N.Yu. Changes in the liquid solutions humidity during drying // Bulliten KrasSAU. 2022;(2):199-208. (In Russ.). DOI: 10.36718/1819-4036-2022-2-199208.
Введение. Кинетику сушки влажных материалов принято изображать в виде графических зависимостей кривой сушки в координатах «вла-госодержание - время сушки» и кривой скорости сушки в координатах «скорость сушки - влагосо-держание» [1, 2]. Графическая зависимость кривой сушки для всех жидких растворов является типовой, плавно убывающей до равновесного влагосодержания, включающей прямолинейный участок (1-й период сушки) и криволинейный (2-й период сушки). Наклон прямолинейного участка является пологим, зависящим от скорости сушки. В практике сушки высоковлажных материалов и жидких растворов с концентрацией сухих веществ менее 10 % влагосодержание в начальный момент времени является очень большим и может составлять более 10 000 %. В связи с этим исследователи представляют экспериментальные данные в координатах «масса материала -время сушки» [3, 4] или «влажность материала -время сушки» [5, 6].
Из жидких растворов методом сушки получают сухое молоко, растительные экстракты,
сухие растительные белки, овощные порошки, фармацевтические порошки и др. В основном используют распылительную сушилку для сушки жидких растворов в нативном виде или предварительно упаренных в вакуум-выпарных установках [7, 8]. Выбор сушильной установки и определение оптимальных режимов сушки базируются на опытных данных по кинетике сушки влажных материалов [5, 7]. Важное значение имеют структура высушиваемого материала, его термолабильные свойства и морфология структурообразования в процессе сушки.
Зависимость «влажность раствора - время сушки» является менее изученной, так как не получила широкого представления при описании экспериментальных данных по кинетике сушки. Изучению этой графической зависимости посвящена данная работа.
Цель исследования - выявление закономерностей графической зависимости «влажность раствора - время сушки» для жидких растворов и высоковлажных материалов.
Задачи: получение дополнительных данных по кинетике сушки жидких растворов и высоковлажных материалов путем анализа графической зависимости «влажность раствора (материала) - время сушки».
Объект, предмет и методы. Объектом исследования являются смеси: фильтрат пивной дробины, пивная дробина, вода - масло, вода -сахар, вода - денатурированный белок. Предмет исследования - графическая зависимость «влажность раствора (материала) - время сушки» при сушке высоковлажных материалов и жидких растворов с инертной поверхности при вынужденной конвекции. Методы исследования: графоаналитический - для анализа зависимостей «влажность раствора (материала) - время сушки» и экспериментальный - для исследования морфологии структурообразования в конце сушки и кинетики сушки жидкого раствора дис-
Характеристика
тиллированная вода - денатурированный белок, полученного путем выдерживания гомогенного раствора дистиллированная вода - нативный белок на водяной бане при 110 °С с последующей сушкой при 60 °С.
Результаты и их обсуждение. В таблице 1 приведена характеристика объектов исследования и литературные источники, в которых представлены экспериментальные данные по кинетике конвективной сушки при температуре сушильного агента 60 °С и скорости 4,5 м/с. На рисунках 1, 3-6 приведены графические зависимости «влажность раствора (материала) -время сушки» следующих смесей: фильтрат пивной дробины (рис. 1), высоковлажный материал пивной дробины (рис. 3), смесей: вода -масло (рис. 4), вода - сахар (рис. 5), вода - белок (рис. 6).
Таблица 1
исследования
Объект исследования Характеристика объекта исследования Источник
Фильтрат пивной дробины Насыщенный коричневый цвет. Содержание сухих веществ 6,26 % [9]
Пивная дробина Высоковлажная твердая фракция (рис. 2) с размером частиц от 6 до 9 мм. Содержание сухих веществ 12,9 % (2018 г.). Содержание сухих веществ 19,2 % (2019 г.) [10] [11]
Вода - масло Масло подсолнечное нерафинированное высшего сорта холодного прессования фасованное краснодарское элитное высокоолеиновое. Содержание сухих веществ ~0 %. Влажность масла составляет 0,05 % [12]
Вода - сахар Сахар-песок из торговой сети с размерами кристаллов 0,2-2,5 мм. Влажность сахара 0,15 % [12]
Вода - белок В воду, доведенную до кипения, добавлен нативный куриный яичный белок, отобранный из сырых яиц АО «Агрокомплекс» им. Н.И.Ткачева. Белок из обычной полупрозрачной массы приобрел нитевидную структуру белого цвета. Содержание влаги в нативном курином яичном белке сырых яиц АО «Агрокомплекс» им. Н.И.Ткачева - 88,42 % [13] [12]
Рис. 1. Зависимость влажности фильтрата пивной дробины от времени сушки при температуре сушильного агента 60 °С
Анализ зависимостей показал, что для высоковлажных материалов пивная дробина 2019 г. (рис. 3) и вода - сахар (рис. 5) кривая «влажность - время сушки» состоит из трех периодов: прогрев материала, 1-й период сушки (постоянная скорость) и 2-й период сушки (падающая скорость) и является пологой в 1 -м периоде сушке. Для жидких растворов период прогрева отсутствует, а 1 -й период характеризуется двумя типами кривых, характеризующихся незначительным изменением влажности за очень длительный промежуток времени и резким - за малый промежуток времени. Последнее ярко вы-
ражено крутым участком на кривых рисунков 1, 3 (пивная дробина 2018 г.), рисунков 4, 6. Такое поведение кривой «влажность - время сушки» можно объяснить переходным процессом при изменении свойств материала от состояния жидкого раствора к насыщенному. Таким образом, удаление свободной влаги соответствует двум участкам на данной кривой. Процесс сушки во 2-м периоде протекает аналогично сушке материалов с низкой влажностью, когда скорость сушки обусловлена скоростью внутренней диффузии влаги из глубины высушиваемого материала к его поверхности.
Рис. 2. Сырая пивная дробина
Рис. 3. Зависимость влажности пивной дробины от времени сушки при температуре сушильного агента 60 °С
Рис. 4. Зависимость влажности смеси вода - масло от времени сушки при температуре сушильного агента 60 °С
Рис. 5. Зависимость влажности смеси вода - сахар от времени сушки при температуре сушильного агента 60 °С
Рис. 6. Зависимость влажности смеси вода - белок от времени сушки при температуре сушильного агента 60 °С
Рассмотрим кинетику сушки жидкого раствора дистиллированная вода - денатурированный белок, полученного путем выдерживания гомогенного раствора дистиллированная вода - на-тивный белок на водяной бане при 110 °С с последующей конвективной сушкой при температуре сушильного агента 60 °С. Смесь дистилли-
рованная вода - нативный белок после нагревания на водяной бане помутнела, появились белые хлопья (произошла денатурация белка). Экспериментальные данные по кинетике сушки для различного содержания нативного белка (0,3861 г; 0,9106; 1,2688 г) приведены в таблице 2 и на рисунке 7.
Таблица 2
Исследование кинетики сушки смеси дистиллированная вода - денатурированный белок
при температуре сушильного агента 60 °С
Время, Масса навески (дистиллированная вода + Влажность, Влагосодержание,
мин денатурированный белок), г % %
1 2 3 4
Масса нативного белка 0,3861 г, содержание сухих веществ в белке 11,58 %
0 10,4518 99,57 23276,67
5,9 7,3334 99,39 16302,01
11,3 6,2767 99,29 13938,57
18,25 4,8069 99,07 10651,19
23,617 3,8658 98,84 8546,31
27,967 2,7970 98,40 6155,82
33,133 1,9323 97,69 4221,82
38,133 1,2414 96,40 2676,54
43,5 0,7887 94,33 1664,02
47,783 0,4743 90,57 960,83
53,533 0,2115 78,86 373,04
58,5 0,1107 59,61 147,59
63,45 0,0759 41,09 69,76
68,633 0,0727 38,50 62,60
73,72 0,0727 38,50 62,60
Масса нативного белка 0,9106 г, содержание сухих веществ в белке 11,58 %
0 9,7703 98,92 9165,56
5,733 8,3294 98,73 7799,10
Окончание табл. 2
1 2 3 4
10,333 7,2614 98,55 6786,27
15,433 6,0229 98,25 5611,75
20,933 4,9194 97,86 4565,26
25,633 4,0049 97,37 3698,00
30,567 2,9572 96,43 2704,43
35,400 2,0223 94,79 1817,83
40,967 1,2507 91,57 1086,09
45,867 0,7423 85,79 603,95
50,833 0,4331 75,65 310,73
55,567 0,2833 62,78 168,66
60,800 0,2111 50,05 100,19
65,100 0,1871 43,64 77,43
70,767 0,1765 40,26 67,38
75,400 0,1738 39,33 64,82
Масса нативного белка 1,2688 г, содержание сухих веществ в белке 11,58 %
0 10,1558 98,55 6812,14
5,300 8,6752 98,31 5804,43
10,000 7,5329 98,05 5026,97
15,667 6,3323 97,68 4209,83
20,667 5,2840 97,22 3496,34
25,333 4,1938 96,50 2754,34
30,233 3,2821 95,52 2133,83
35,867 2,3972 93,87 1531,56
40,467 1,6630 91,16 1031,85
45,367 1,0555 86,08 618,38
50,400 0,5823 74,77 296,32
55,033 0,3212 54,26 118,61
60,233 0,2557 42,54 74,03
65,300 0,2461 40,30 67,50
70,967 0,2411 39,06 64,10
100 80 60 40 20 0
Вода - денатурированный белок
1
N
■ ■
10 20 30 40 50 Время сушки, мин
60
70
80
-Эксперимент (массаденатурированного белка 0,3861 г) -Эксперимент (массаденатурированного белка 0,9106 г) -Эксперимент (массаденатурированного белка 1,2688 г)
Рис. 7. Зависимость влажности смеси вода - денатурированный белок от времени сушки при температуре сушильного агента 60 °С
Рис. 8. Морфология структурообразования белка после сушки
при температуре сушильного агента 60 °С: а - пленка нативного белка после испарения дистиллированной воды: б - пленка денатурированного белка после испарения дистиллированной воды
Характер зависимости «влажность - время сушки» (рис. 7) соответствует приведенным выше жидким растворам. Однако влажность в конце сушки является высокой - порядка ~39 %. Это можно объяснить денатурацией, которая привела к агрегации частиц белка в более крупные, с образованием хлопьев, что в свою очередь послужило причиной изменения свойств и перераспределения содержания свободной и связанной влаги в материале.
Морфология структурообразования белка в конце сушки приведена на рисунке 8. Нативный белок, размешенный в дистиллированной воде, после сушки представляет собой сплошную тонкую мутную пленку, приклеенную ко дну чашки Петри, представляющей собой инертную поверхность. Пленка денатурированного белка является прозрачной, изрезанной, неравномерной по толщине и по поверхности чашки Петри и с четко выраженными неровностями.
Заключение. Выполнен анализ зависимости «влажность раствора - время сушки» для высоковлажных материалов и жидких растворов. Для высоковлажных материалов кривая «влажность - время сушки» состоит из трех периодов: прогрев материала, 1 -й и 2-й периоды сушки - и является пологой в 1 -м периоде сушке. Для жидких растворов период прогрева отсутствует, а удаление свободной влаги в 1 -м периоде соответствует двум участкам на данной кривой. Пер-
вый участок характеризуется незначительным изменением влажности за очень длительный промежуток времени и второй - резким изменением влажности за малый промежуток времени. Морфология структурообразования белка в конце сушки показала, что нативный белок, размешенный в дистиллированной воде, после сушки представляет собой сплошную тонкую мутную пленку, а пленка денатурированного белка является прозрачной, изрезанной, неравномерной по толщине и по поверхности, с четко выраженными неровностями. Предложено дополнить исследование кинетики сушки жидких растворов с концентрацией сухих веществ менее 10 % графической зависимостью «влажность раствора - время сушки».
Список источников
1. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968. 472 с.
2. Tavakolipour H. Drying Kinetics of Pistachio Nuts (Pistacia vera L.) // World Applied Sciences Journal 12 (9): 1639-1646, 2011.
3. Both E.M., Tersteeg S.M.B., Boom R.M., Schutyser M.A.I. Drying kinetics and viscoe-lastic properties of concentrated thin films as a model system for spray drying // Colloids and Surfaces A 585, 2020. DOI: 10.1016/j.colsurfa. 2019.124075.
4. Некоторые кинетические особенности сушки жидких дисперсных продуктов на твердых подложках / А.Н. Пахомов [и др.] // Международный научно-исследовательский журнал. 2017. № 11 (65). Ч. 4. С. 63-66. DOI: 10.23670/IRJ.2017.65.052.
5. Моделирование кинетики сушки с анализом 1. характеристик процесса / А.В. Зыков [и др.]
// Международный научно-исследователь- 2. ский журнал. 2020. № 11 (101). Ч. 1. С. 127133. DOI: 10.23670/IRJ.2020.101.11.021.
6. Исследование процесса сушки раститель- 3. ного сырья / А.В. Зыков [и др.] // Международный научно-исследовательский журнал.
2020. № 11 (101). Ч. 1. С. 134-139 DOI: 10.23670/IRJ.2020.101.11.022.
7. Уланбек К.А., Кочнева С.В. Разработка малогабаритной распылительной сушилки для 4. сушки термолабильных пищевых продуктов // Известия Кыргызского государственного технического университета им. И. Раз-закова. 2020. № 3 (55). С. 385-389.
8. Долинский А.А., Малецкая К.Д. Распылительная сушка. М., 2015. 590 с. 5.
9. Короткова Т.Г, Данильченко А.С. Применение математической модели нестационарного испарения жидких растворов для описания кинетики сушки фильтрата пивной дробины // Вестник КрасГАУ. 2021. № 7. 6. С. 204-210. DOI: 10.36718/1819-4036-20217-204-210.
10. Короткова Т.Г. Данильченко А.С., Исто-шина Н.Ю. Исследование кинетики сушки пивной дробины // Известия вузов. Пище- 7. вая технология. 2020. № 4. С. 80-83. DOI: 10.26297/0579-3009.2020.4.19.
11. Короткова Т.Г., Данильченко А.С. Совершенствование технологии переработки пивной дробины в сухую кормовую добавку // Известия вузов. Пищевая технология. 8.
2021. № 1. С. 59-62. DOI: 10.26297/05793009.2021.1.14. 9.
12. Данильченко А.С., Короткова Т.Г, Ксандо-пуло С.Ю. Кинетика испарения модельного раствора послеспиртовой барды, содержащего белок, масло и сахар // Известия вузов. Пищевая технология. 2018. № 1. С. 87-90.
13. Данильченко А.С., Короткова Т.Г, Ксандо- 10. пуло С.Ю. Кинетика процесса испарения дистиллированной воды при сушке смеси
вода - белок в изотермических условиях // Известия вузов. Пищевая технология. 2018. № 4. С. 64-67.
References
Lykov A.V. Teoriya sushki. M.: 'Energiya, 1968. 472 s.
Tavakolipour H. Drying Kinetics of Pistachio Nuts (Pistacia vera L.) // World Applied Sciences Journal 12 (9): 1639-1646, 2011. Both E.M., Tersteeg S.M.B., Boom R.M., Schutyser M.A.I. Drying kinetics and viscoe-lastic properties of concentrated thin films as a model system for spray drying // Colloids and Surfaces A 585, 2020. DOI: 10.1016/j.colsurfa. 2019.124075.
Nekotorye kineticheskie osobennosti sushki zhidkih dispersnyh produktov na tverdyh podlozhkah / A.N. Pahomov [i dr.] // Mezhdu-narodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. 2017. № 11 (65). Ch. 4. S. 63-66. DOI: 10.23670/IRJ.2017.65.052. Modelirovanie kinetiki sushki s analizom harakteristik processa / A.V. Zykov [i dr.] // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. 2020. № 11 (101). Ch. 1. S. 127-133. DOI: 10.23670/IRJ.2020.101.11.021. Issledovanie processa sushki rastitel'nogo syr'ya / A.V. Zykov [i dr.] // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. 2020. № 11 (101). Ch. 1. S. 134-139 DOI: 10.23670/IRJ. 2020.101.11.022.
Ulanbek K.A., Kochneva S.V. Razrabotka malogabaritnoj raspylitel'noj sushilki dlya sushki termolabil'nyh pischevyh produktov // Izvestiya Kyrgyzskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. I. Razzakova. 2020. № 3 (55). S. 385-389. Dolinskij A.A., Maleckaya K.D. Raspylitel'naya sushka. M., 2015. 590 s. Korotkova T.G., Danil'chenko A.S. Primenenie matematicheskoj modeli nestacionarnogo ispareniya zhidkih rastvorov dlya opisaniya kinetiki sushki fil'trata pivnoj drobiny // Vestnik KrasGAU. 2021. № 7. S. 204-210. DOI: 10.36718/1819-4036-2021-7-204-210. Korotkova T.G. Danil'chenko A.S., Istoshi-na N.Yu. Issledovanie kinetiki sushki pivnoj drobiny // Izvestiya vuzov. Pischevaya tehno-
logiya. 2020. № 4. S. 80-83. DOI: 10.26297/ 0579-3009.2020.4.19.
11. Korotkova T.G., Danil'chenko A.S. Sovershen-stvovanie tehnologii pererabotki pivnoj drobiny v suhuyu kormovuyu dobavku // Izvestiya vuzov. Pischevaya tehnologiya. 2021. № 1. S. 59-62. DOI: 10.26297/0579-3009.2021.1.14.
12. Danil'chenko A.S., Korotkova T.G., Ksandopu-lo S.Yu. Kinetika ispareniya model'nogo rastvo-
ra poslespirtovoj bardy, soderzhaschego belok, maslo i sahar // Izvestiya vuzov. Pischevaya tehnologiya. 2018. № 1. S. 87-90.
13. Danil'chenko A.S., Korotkova T.G., Ksandopu-lo S.Yu. Kinetika processa ispareniya distilliro-vannoj vody pri sushke smesi voda - belok v izotermicheskih usloviyah // Izvestiya vuzov. Pischevaya tehnologiya. 2018. № 4. S. 64-67.
Статья принята к публикации 21.12.2021 / The article accepted for publication 21.12.2021. Информация об авторах:
Татьяна Германовна Короткова, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности, доктор технических наук, доцент
Александра Сергеевна Данильченко, ведущий инженер в управлении информатизации, ассистент кафедры безопасности жизнедеятельности, кандидат технических наук Наталья Юрьевна Истошина, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности, кандидат технических наук
Information about the authors:
Tatyana Germanovna Korotkova, Professor at the Department of Life Safety, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor
Alexandra Sergeevna Danilchenko, Leading Engineer at the Informatization Department; Assistant at the Department of Life Safety, Candidate of Technical Sciences
Natalia Yurievna Istoshina, Associate Professor at the Department of Life Safety, Candidate of Technical Sciences
