Кинетические закономерности вакуумного обезвоживания реологически сложных термолабильных материалов Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

ки имеют существенное отклонение от теоретической кривой, что объясняется низкой концентрацией исследуемого раствора, из-за чего ошибки в определении концентрации сравнимы с ее значением.

Следует отметить, что процесс сорбции в системе дрожжевая барда — ионит протекает медленнее и количество сорбированной винной кислоты из дрожжевой барды меньше, чем из модельных растворов чистой винной кислоты. Это объясняется наличием в дрожжевой барде веществ и примесей, ухудшающих сорбцию.

По всем остальным параметрам, с учетом поправок для описания сорбционной составляющей процесса, от ранее принятой теории равновесия отклонений не наблюдается. Это подтверждает теорию об одновалентном механизме обмена ионов хлора на ионы кислотного остатка винной кислоты, которая остается справедливой при различных вариантах постановки эксперимента. В целом согласование экспериментальных и теоретических данных можно считать пригодным для технологических расчетов.

По результатам исследования равновесия можно сделать вывод, что дая описания процесса сорбции каждый раз при изменении типа и основных параметров исходного раствора, в частности концентрации винной кислоты, необходимо проводить эксперимент по равновесию с целью определения значений обменной емкости ионита Сд% и константы химического равновесия К.

Проведенные исследования имеют следующую практическую значимость:

развиты теоретические основы ионного обмена применительно к процессу сорбции винной кислоты неподвижным слоем анионита из промышленных растворов;

разработана методика определения обменной емкости ионита и константы равновесия химической реакции для промышленных растворов;

установлено значительное влияние содержания соляной кислоты в сорбируемом растворе на эффективность процесса сорбции;

следует отметить, что на определение окончания процесса ионообмена с помощью контроля величины pH требуется значительно меньше времени, чем методами анализа виннокислотных соединений, в том числе и ускоренным ацидиметрическим методом; для контроля окончания процесса ионообмена на производственных колоннах целесообразно установить автоматические рН-метры, например, в виде преобразователя промышлен-

ного типа П-201; отсутствие разницы при сравнении показателя pH барды на входе в установку со значением pH фильтрата на выходе из первой колонки свидетельствует о том, что обмен анионов между анионитом и бардой уже не происходит и что данная колонка должна быть переключена на следующую стадию технологической схемы (промывку, десорбцию); данный метод определения окончания процесса ионообмена может быть применен также и на стадии десорбции, но только при использовании в качестве десорбента соляной кислоты;

свойство барды изменять активную плотность, т.е. pH, в процессе ионообменной фильтрации может быть положено в основу автоматизации работы ионообменной установки по извлечению винной кислоты из дрожжевой барды анионитом в хлор-форме.

ЛИ1ЕРАТУРА

1.Салдадзе K.M., Пашков A.B., Титов B.C. Ионообменные высокомолекулярные соединения. — М.: Хим. литра, I960.

2. Мохначев И.Г. Ускоренный метод определения винной кислоты // Виноделие и вшгсирадарство СССР. — 1963.

— №1, —С. 23-28.

3. Ратушный Г.Д. Тр. Краснод. ин-та пищевой пром-сти.

— 1961,— Вып. 22, —С. 371.

4. Химико-технологический контроль виноделия / Г.Г. Ага-баяьянци др.— М.: Пищепромиздат, 1969.

5. Грживо B.C. Консервная и овощесушильная промышленность. — М., 1960. — С. 34-36.

6. Константинов Е.Н., Ковалев В.А., Черненко Е.И., Малышев A.B. Исследование равновесия сорбции винной кислоты ионитом при малых концентрациях раствора //Тез. Между-нар. науч. конф. «Рациональные пути использования вторичных ресурсов АПК» / КубГТУ. — Краснодар, 1997. — С. 59-61.

7. Ковалев В.А., Константинов Е.Н., Малышев A.B. Система ионообменных процессов для извлечения пищевых кислот из растворов // 2-я Всерос. нэуч.-теорет. конф. «Прогрессивные экологически безопасные технологии хранения и комплексной переработки сельхозпродукции для создания продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности», Углич / Рос. акад. с.-х. наук.

— 1996. — С. 248-249.

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 03.08.2000 г.

66.093.6:531.1

КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВАКУУМНОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИ СЛОЖНЫХ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХМА ТЕРИАЛОВ

ГБ. СЕМЕНОВ, СМ. БРАЖНИКОВ,

АЛРЕДЬКИН

Московский государственный университет прикладной биотехнологии

Технология сушки (обезвоживания) жидких или пастообразных материалов органической природы при пониженных температурах широко используется в миро-

вой практике для производства различных медицинских и биологических препаратов, косметических средств, ряда полимеров и других термолабильных материалов [1,2].

Особо важное значение имеет технология низкотемпературной сушки для пищевой промышленности [2]. В настоящее время освоен выпуск большого числа обезвоженных пищевых продуктов: мясных, молочных, рыбных, а также фруктов, овощей, грибов, специй, готовых

кулин сорта котем ряетс) кисег рии П] Д003.В

Из

матер

онная

ООЄСПІ

тивнь

биолс

свойс

TOE Су

чески

ЧТО СВ ИСП0І

субли

ТЄЛЬНі

неизб

териа

Вм

ЩИЄ,'

ГИИ BÍ

вания но пр мм рт роваь

ВПОЛР

лав г коми; рья в [ этом зазор ходит алом, Це закон жидк проис рамет основі 3ajj болы^ териа| облал В

ствен предп щевьи пасть: предп poro; териа ки, пе стоян являє ракте]

Ин

выхп

яхпр]

етсяп

ши потением цетель-итом и

1Д0ЛЖ-

:ХНОЛО-

I метод может только ой кис-

т.е. pH, ыть по-менной рожже-

йонооб-лш. лит-

ния вин-.-1963.

1рОМ-СТИ.

Г.Г.Ата-

промыш-

ко Е.И.,

иной кис-з. Между-ггоричных

т.

лев А.В.

шя пище-кт. конф. югии хра-/кции для ишевой и ;.-х. наук.

!В0ДСТВ

.6:531.1

№

¡щцинских

хсредств, атериалов

низкотем-нности [2]. мела обез-чных,рыб-й, готовых

кулинарных изделий и блюд, кофе, чая, соков и др. Ассортимент пищевых продуктов, получаемых путем низкотемпературного обезвоживания, непрерывно расширяется. Значение технологии низкотемпературной сушки сегодня резко возрастает в связи с развитием индустрии пищевых ингредиентов [3] и биологически активных добавок [4].

Из известных методов обезвоживания биологических материалов приоритетом обладает вакуум-сублимаци-онная сушка, которая, как традиционно считается [2], обеспечивает наиболее высокую степень сохранения нативных свойств исходного сырья: витаминного состава, биологической активности, вкуса, аромата, питательных свойств. Однако, несмотря на высокое качество продуктов сублимационного обезвоживания, технико-экономи-ческие показатели производства оказываются низкими, что связано с большими энергозатратами и сложностью используемого оборудования. В случае проведения сублимационного обезвоживания материала в слое длительность процесса неоправданно возрастает вследствие неизбежного возникновения парового зазора между материалом и теплоподводящей поверхностью.

Вместе с тем, известны данные [5], свидетельствующие, что качество продуктов, полученных по технологии вакуумной сушки (исключающей стадию замораживания сырья), реализуемой при давлениях, незначительно превышающих давления тройной точки воды (10-20 мм рт.ст.), практически не уступает качеству сублимированных продуктов. Такой результат представляется вполне естественным, поскольку температура материала в процессе обезвоживания (10-20°С) не превышает комнатной; необратимой утраты полезных свойств сырья в этих условиях, как правило, не происходит. При этом интенсивность процесса, в котором образование зазора исключено и теплоподводящая поверхность находится в непосредственном контакте с жидким материалом, должна существенно вырасти.

Цель настоящей работы — выяснение кинетических закономерностей процесса вакуумного обезвоживания жидких и пастообразных материалов биологического происхождения, протекающего в условиях, близких к параметрам тройной точки воды, и определение на этой основе рациональных режимов обработки материала.

Задача изначально осложняется тем, что подавляющее большинство представляющих интерес для практики материалов являются неньютоновскими жидкостями,т.е. обладают сложными реологическими свойствами.

В реологической классификации материалов существенен вопрос о том, имеет ли материал некоторую предпочтительную форму или не имеет [6]. Многие пищевые продукты коллоидной структуры, такие как желе, пасты, пюре, в ненагруженном состоянии естественной предпочтительной формой обладают, будучи до некоторого порогового нагружения «твердообразными» материалами. Количественная мера этой пороговой нагрузки, переводящей материал в текучее жидкообразное состояние, — предельное напряжение сдвига 50, которое является таким образом важнейшей реологической характеристикой материала.

Интенсивный процесс сушки пастообразных пищевых продуктов, проводимый в достаточно толстых слоях при кондуктивном теплоподводе снизу, сопровождается перегревом массы влажного продукта относитель-

но температуры насыщения и испарением влаги в образующиеся и растущие пузырьки. Интенсификация процесса, в отличие от режима сушки испарением со свободной поверхности, достигается при этом увеличением поверхности испарения и ее приближением к теплоподводящей поверхности. Однако эвакуация пузырьков из толщи продукта оказывается в этом случае затрудненной ввиду специфических реологических свойств среды, которую можно считать бингамовским мостиком [7]. Режимы роста, отрыва и движения пузырьков в такой среде имеют механизм, существенно отличающийся от наблюдаемого при кипении обычных ньютоновских жидкостей. Важнейшие характеристики бингамовс-кой реологии рассматриваемой среды предопределяют рост пузырька в неподвижной среде и его быстрое удаление при достижении размера, когда архимедова сила превысит удерживающую способность среды, связанную с существованием предельного напряжения сдвига.

Рассматриваемый циклический процесс может быть описан следующей идеализированной физической моделью. Объем обрабатываемого материала разбивается на одинаковые ячейки, занимающие всю толщину слоя /г и всю площадь теплоподводящей поверхности (рис. Г). В пределах каждой из ячеек происходит циклический рост пузырька от его зарождения до эвакуации.

А ~£

\ Т=Тз

и ч: V 1 ^Т\ кХЬу п ' */Тл / чГ V

/ / / / / \ и ГГ // Г! //! ; 1Н П // // // // I И м N М 1 ! И Ы И 1 : // /, ГТГТ

Т-Т\л/

Рис.1

Поперечный размер ячейки считается равным максимальному диаметру пузырька с!к, который определяется равновесием в момент начала движения пузырька архимедовой силы и удерживающей силы, равной просуммированному по поверхности пузырька предельному напряжению сдвига, характеризующему обрабатываемую бингамовскую среду.

Равновесие векторов подъемной и удерживающей сил задается равенством

Ш \zyndF, (1)

V /=■

где р, р 5— плотности среды и пара соответственно;

{т} — тензор напряжений в среде;

п — нормаль к поверхности пузырька;

g — гравитационное ускорение;

V, Т«”— объем и поверхность пузырька.

В проекции на ось Z уравнение запишется как

~{р-р,)Е4=2^45,. (2)

О 4

Следует заметить, что по мере роста размера пузырь-

ка он должен приити в движение, поскольку подъемная сила увеличивается пропорционально кубу диаметра, удерживающая сила—пропорционально квадрату. Соотношение (2) позволяет определить критический размер пузырька

35п

(р-А-)г

(3)

Время цикла тк определяется временем роста пузырька от зародышевых до максимальных размеров. Принимается, что во время роста пузырек неподвижен относительно среды, а его эвакуация при достижении предельного размера происходит мгновенно. Это позволяет использовать для оценки времени цикла известный параболический закон роста пузырька [8]:

с(Т-Т„) р ¡12

■-------й----л—ахк,

Г р5 V 71

(4)

где I', 15 — температура среды и насыщенного пара соответственно;

г — удельная теплота испарения; с, а — удельная теплоемкость и коэффициент температуропроводности среды соответственно. . Из (4) можно получить оценку времени цикла

71

48а ' К

мк-

Р*

с(Т-Тх) р

Г(1,

Р5

с(Т-Т5) р

(5)

(5')

Такая корректировка придает рассматриваемой модели полуэмпирический характер .Однако выполненные оценки позволяют сделать несколько важных выводов. При характерных значениях параметров среды и процесса оценка величины с1к с помощью соотношения (3) дает значения порядка нескольких миллиметров, что хорошо согласуется с визуальным наблюдением за процессом. Что касается времени цикла, то, в соответствии с (5), его значение по порядку величин оказывается равным 10'4— 10-3 с> хогда как на практике это время составляет секунды. Проводимое аналитическое рассмотрение обезвоживания, разумеется, не охватывает всех особенностей реального процесса. В частности, нами не затрагиваются вопросы о механизме образования зародышей паровой фазы, о необходимой величине перегрева жидкости и ряд других. Очевидно, ответ на указанные вопросы и адекватную оценку величины тк может дать только эксперимент. Поэтому целесообразно в первом приближении ввести в выражение для длительности цикла коэффициент К, определяемый опытным путем. Во-первых, время цикла (быстрое время) значительно меньше времени высушивания продукта (медленное или кинетическое время). Во-вторых, критический размер пузырька существенно меньше практически используемой толщины слоя обрабатываемого продукта, так что все три этапа взаимодействия пузырька со средой (рост, отрыв, эвакуация) действительно имеют место в реальном процессе. Наконец, быстрая эвакуация пузырька приводит к эффективному перемешиванию среды в ячейке, так что использование в формулах (4) и (5) осредненной температуры среды Тне должно приводить к большим погрешностям.

Отсюда следует несколько важных выводов. Определяющий кинетику сушки тепловой поток Q , необходимый для поддержания описанного выше циклического процесса, очевидно, есть

в=р£иИы,

(6)

где

N =

^2 — число ячеек (число пузырьков) на

единице площади теплоподводящей поверхности; (7)

.. лсРк

Vг =-------— объем единичного пузырька крити-

6 ... ческого размера. (8)

Объединение уравнения (6) с соотношениями (3), (5), (7) и (8) приводит к следующему выражению для теплового потока

<2 = -к

9

г

Ра

Р )

Рза8(Р~Р5)

или

А_

&

(9)

(10)

где

А = Ка

\с(Т-Т,)2

ё(р - Рл )Рх — есть па-

раметр задачи, в который введен коэффициент К, подлежащий экспериментальному определению.

Введем далее в рассмотрение влагосодержание материала и. Тогда, предполагая, что вся подводимая к материалу теплота расходуется на парообразование, можно записать:

<2 = -р5гИ

с1и

(1X

(И)

С другой стороны, предельное напряжение сдвига 5,, также зависит от влагосодержания или от концентрации сухих веществ СВ в материале

5'0=/(м). ‘ 02)

Очевидно, подстановка выражения (11) и (12) в (10) приводит к следующему макрокинетическому уравнению вакуумной сушки:

Ли В

<1х /(н) ’ ; (13)

где

В =

А

грсЬ

Давление р над высушиваемым слоем (глубина вакуума) в явном виде в полученное выражение не входит: его влияние на кинетику процесса проявляется через параметры р $ (Р) и Тх (Р). Уравнение (13) с очевидным начальным условием дает возможность определить кинетические кривые процесса кондуктивной вакуумной сушки, если известен вид зависимости (12).

Пищевые продукты сложны по химическому составу, при этом существующие в настоящее время методы

(о 1,2001

і. Опре-

необхо-

ІИЧЄСКО-

(6)

ков) на рхно-

(7)

ікрити-

(8)

а(3),(5),

[Я тепло-

(9)

(10)

і-есть па-

щиент К, делению, ание ма-мая к ма-ше, мож-

(11)

сдвига Б„ ентрации

^ (12)

12) в (10) у уравне-

(13)

убина ва-1Є не вхо-ляется че-13) с оче-

)СТЬ опре-■ивной ваги (12).

>му соста-м методы

оценки их реологических характеристик часто субъективны. Важно отметить, что небольшие изменения химического и биологического состава или концентрации СВ в материале, как правило, вызывают значительные изменения реологических характеристик [9]. Очевидно, определение вида зависимости.^ = /(и) следует рассматривать как отдельную задачу, дая решения которой нами было предпринято специальное экспериментальное исследование.

В опытах с помощью прибора «Нааке К окпчзсо КТ-20» определяли предельное напряжение сдвига для трех модельных веществ: водных растворов желатина, агар-агара и клюквенного пюре — при различных значениях влагосодержания (концентрации СВ). Полученные экспериментальные данные обрабатывали с помощью программы «Статистика». В результате были определены аппроксимирующие выражения для экспериментально полученной зависимости 80 = /(и). Оказалось, что для желатина и агар-агара зависимость предельного напряжения от влагосодержания с хорошей точностью может быть принята линейной:

80=аи + Ь, (14)

тогда как для клюквенного пюре следует использовать логарифмический закон:

и = \о%ух+0. (15)

Подстановка зависимостей (14) или (15) в кинетическое уравнение (13) приводит к обыкновенному дифференциальному уравнению с разделяющимися переменными, решение которого не связано с какими-либо принципиальными трудностями. Разумеется, стоит отдавать себе отчет в том, что полученное таким образом кинетическое уравнение является полуэмггарическим и область его применения ограничена рамками эксперимента по определению реологических характеристик материала. Тем не менее, по нашему мнению, наличие такого аппарата позволяет составить общее представление о кинетике процесса вакуумной сушки и оценить его длительность. Кинетические кривые сушки клюквенного пюре, агар-агара (. расчет, — эксперимент) и желатина (.*. расчет, л эксперимент) представлены соответственно на рис. 2, 3 и 4 (давление в камере — 10 мм рт. ст.; температура: теплоподводящей поверхности 12°С, продукта 10,9°С).

_1_________!---------і----,---і----,----1----■---і----;----1----:---і----:----1_

О 2 4 6 е 10 12 14 16

Рис.2

25

10

е

б

4

О 2 4 6 8 !0 12 14 16 18 20 22 24

г’ч! . _ .

Рис.З

Рис.4 '

Экспериментальную проверку решения кинетического уравнения осуществляли на установке, схема которой показана на рис.5: 1, 2 — вакуумные насосы; 3 — вакуумная камера; 4 — мановакууметр; 5 — мановакууметр ¿/-образный; 6-13 — регулируемые вентили; 14 — противень; 15 — датчик теплового потока; 16—весы; 17 — источник теплового потока; 18, 19 — термопары; 20 — потенциометр; 21— самописец; 22—конденсатор.

Установка выполнена на базе вакуумной камеры 3 сублимационной установки Тв-15. В камере размещена рабочая ячейка, в состав которой входят: нагревательный элемент ТЭН-17, датчик теплового потока 15 с потенциометром 20 и противень 14. Ячейка установлена на электронных весах ВЛТК16. Разрежение в камере создается вакуумным насосом 1 с охлаждаемым конденсатором 22. Для контроля давления в аппарате используются мановакууметр 4 и ¿/-образный вакууметр 5. Регулировка давления осуществляется посредством вентилей 6-13. Температура продукта и теплоподводящей поверхности противня контролируется хромель-копелевыми термопарами 18 и 19, выведенными на прибор КСП- 4 21.

В опытах рабочую ячейку с обрабатываемым материалом, распределенным в виде слоя толщиной 10-12 мм по теплоподводящей поверхности противня, помещали в вакуумную камеру. Конденсатор 22 заполняли охлаждающей смесью (рассол или вода со льдом), камеру вакуумировали до давления порядка 15-25 мм рт.

ИЗВЕС1

Рис. 5

ст., после чего включали нагревательный элемент. Температуру теплоподводящей поверхности поддерживали постоянной на уровне температуры насыщения при рабочем давлении. Скорость убыли массы материала в процессе сушки определяли по показаниям весов ВЛТК, которые снимали визуально через определенные промежутки времени. В отдельных случаях фиксировали также показания датчика теплового потока.

Полученные экспериментальные данные сравнивали с результататами расчета на рис. 3 и 4.

Для желатина и агар-агара, характеризующихся линейной зависимостью предельного напряжения сдвига от концентрации, согласно кинетическому уравнению, вла-госодержание материала в процессе сушки убывает примерно пропорционально л/х • Как видно, опыт, по крайней мере качественно, не противоречит этой закономерности. Вместе с тем, в количественном отношении расхождение результатов расчета с экспериментальными данными значительно. Как устойчивую тенденцию нельзя также не отметить, что реальная скорость сушки всегда оказывается выше скорости, определенной из решения кинетического уравнения. Экспериментальная и полученная расчетным путем кривые сушки практически эквидистантны — «подобны». Это позволяет констатировать, что рассмотренная модель дает принципиально верное представление о кинетических закономерностях процесса вакуумной сушки материалов, обладающих свойствами бингамовских сред. Относитель-

но количественных расхождении мы предполагаем, что они могут быть отнесены на счет отмеченной выше неопределенности механизма образования центров паровой фазы. Кроме того, входящие в кинетическое уравнение параметры \ ,с,р зависят от влагосодержания. Допущение о постоянстве этих параметров, сделанное нами по умолчанию, очевидно, является дополнительным источником погрешности.

Разумеется, представленная модель требует уточнения и доработки. На данной стадии изучения проблемы предлагается учесть количественные расхождения расчета и эксперимента путем введения в кинетическое уравнение определенного эмпирического коэффициента К, как это сделано нами в соотношении (10). Для материалов с линейной зависимостью S0 = fill), как показал эксперимент, величину поправочного коэффициента можно принять АГ=4,9 • 108. Скорректированная таким образом модель позволяет с достаточной для инженерных расчетов точностью оценить длительность процесса вакуумной сушки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Берд К. Состояние и перспектива различных методов консервирования пищевых продуктов // Новое в зарубежной пищевой пром-сти. — М.: Пищевая пром-сть, 197.

2. Основы теории, техники и технологии сублимационной сушки / Г.В.Семенов, АЛ. Калмыков, Е.П. Кирилок и др. — М.: МГАПБ, 1993.

3. Ингредиенты пищевых продуктов // Food Trade Rev. — 1966. — 66. — №10.— P. 754-755."

4. Нечаев А.П., Кочеткова A.A., Зайцев А.И, Пищевые добавки. — М.: Изд-во МГУ, 1977.

5. Шабетник Г.Д. Универсальная вакуумная сублимационная сушка//Пищевая промчггь.—1999—№11.—С.52-54.

6. Астарита Дж„ Марручи Дж. Основы гидромеханики не-ныотоновских жидкостей. — 1978. — С. 311.

7. Химическая гидродинамика: Справ, пособие. / А.М. Ку-тепов, А.Д. Полянин, З.Д. Запрянов, Д.А. Казенин. - М.: Бюро квантум, 1966 — С. 336.

8. Плезем М.С., Цвик С.А. Рост паровых пузырей в перегретых жидкостях//Вопр. физики кипения. — М., 1964.

— С. 189-211.

9. Структурно-механические характеристики пищевых продуктов/А.В. Горбатов, А.М. Маслов, Ю.А. Мачихин и др./ Под ред. A.B. Горбатова. — М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1982.—С. 296.

Поступила 03.08.2000 г.

ГЛ. К АДВІ

Кубане;

Ряд-промы таких л сушилі очистк при не можно сокая • лась [1 В пс констр реализі ния фа точны! менты раллел пронес стаючі Цел висимс кости ^ ^У’Расі

■ В ка начадь емой 28-30° 25 м/с, Гли теплое На{ фициеї кипо г 50; 2-рость I фики п пропо] Это об

ЖИДКО!

яние рг пени(| полно* ся пов^ Из опь| Для| обмену дены 0| длина

<Х = /\

канала увелич мена сі