CC BY
67
— ПРОЦЕССЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И АППАРАТЫ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ —
УДК 664:541.182
А.М. Попов, А.М. Сорочкин, А.А. Сарафанов, И.А. Михайлова, Е.И. Шилова
УПРАВЛЕНИЕ СОСТАВОМ И СВОЙСТВАМИ ВЛАЖНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Рассмотрены современные представления о формах связи влаги с материалом и классификации отдельных ее видов. Представлены результаты исследований широкого круга материалов, которые позволяют сделать вывод о том, что при решении различных технологических проблем достаточно и целесообразно разделение физико-химически и физико-механически связанной воды на две основные категории влаги: капиллярноподвижную и капиллярно-неподвижную.
Влага, вода, дисперсная система, сушка.___________________________________________________________
Введение
Научную основу приготовления быстрорастворимых продуктов составляет физико-химическая механика дисперсных систем. Эта наука возникла на стыке физикохимии, механики дисперсных систем, коллоидной химии и молекулярной физики. В настоящее время она широко применяется в разных областях получения дисперсных систем с заданными свойствами и структурой. Особенность данной отрасли науки состоит в оптимальном комплексном анализе механических воздействий, а также влиянии физико-химических и тепловых факторов на протекающие процессы. Технологические процессы тепло- и массообмена рассматриваются здесь как гетерогенные процессы в областях с соответствующими фазовыми границами, величина которых зависит от дисперсности системы. В соответствующем приближении физические системы можно разделить на грубодисперсные и микрогетерогенные системы. Критический размер твердых частиц в двухфазных дисперсных системах с газообразной дисперсионной средой d ~ 10-4 м, с жидкой дисперсионной средой низкой вязкости d ~ 10-5 м.
Путем измельчения и смешивания можно получить порошки требуемой структуры, например, смеси порошка какао и сахара, выпеченных изделий, молока, сливок, сыворотки, овощные и фруктовые порошки. Общее свойство таких полидисперсных продуктов - медленное и трудное растворение в воде при приготовлении из них жидкого раствора. Это свойство обусловлено особенностью их структуры. Сначала частицы порошка увлажняются под действием молекулярных сил, их удельный вес увеличивается, и они, медленно погружаясь, растворяются в воде, то есть диспергируются в жидкости. На процесс увлажнения главным образом влияет состояние поверхности твердой фазы. Процессы увлажнения и особенно процессы растворения зависят от свойств полидис-персного порошка. В результате интенсивного массо-обмена между водой и мелкими частичками с большой удельной поверхностью на фазовой границе «вода - порошок» возникает пленочный слой концентрированного раствора, который препятствует
проникновению жидкости в порошковый слой и вызывает комкование при перемешивании. Движущей силой проникновения внутрь слоя порошка увлажняющей жидкости является капиллярное давление; с другой стороны, характер капиллярно-пористых каналов в порошковом слое определяется также и поверхностными свойствами.
При современном уровне развития науки и техники актуальной задачей стало получение дисперсных систем с определенными свойствами для приготовления продуктов заданного качества. Такая же проблема требует решения при получении быстрорастворимых продуктов путем изменения структуры и размеров частиц, а также физико-химических свойств исходного материала.
Объекты и методы исследований
Среди большого многообразия дисперсных систем, используемых в технологии пищевых производств, наиболее распространены системы, в которых в качестве дисперсионной фазы используется вода. Физико-химические и физико-механические свойства этих дисперсных систем предопределяются содержанием и свойствами удерживаемой ими воды, которая вступает в сложнейшее взаимодействие с поверхностью частиц твердой фазы. Способность твердых тел к взаимодействию с водой определяется свойствами этих тел: химическим и минеральным составом, типом кристаллической решетки или клетки вещества, состоянием поверхности и многими другими факторами.
Сила взаимного сцепления частиц твердой фазы предопределяется в первую очередь величиной энергии взаимодействия пограничных молекул воды и твердой фазы и, как следствие, толщиной прослойки жидкости между частицами, от величины которой зависят структурно-механические и реологические свойства дисперсной системы.
Анализ современных представлений о формах связи влаги с материалом, классификации отдельных ее видов, результаты исследований широкого круга материалов, представленных в настоящей работе, позволяют сделать вывод о том, что при реше-
нии различных технологических проблем вполне достаточно и целесообразно разделение физикохимически и физико-механически связанной воды на две основные категории влаги: капиллярноподвижную и капиллярно-неподвижную. Особенностью капиллярно-подвижной воды является ее способность передавать гидростатическое давление и перемещаться в структуре материала в виде жидкости. Капиллярно-неподвижная вода не передает гидростатического давления и может перемещаться в структуре материала в форме пара [4].
Условной границей между этими категориями влаги является наименьшая капиллярная влажность, при которой молекулы прочно- и слабосвязанной воды ориентируются молекулярным силовым полем поверхности частиц и приобретают свойство сплошности, образуя непрерывную сетку в межчас-тичном пространстве дисперсной системы. При Wнкв двухфазная дисперсная система (Т + Ж) обладает максимальной связностью, устойчивостью, плотностью, структурно-механическими, теплофизическими и реологическими свойствами.
Появление в системе капиллярно-подвижной воды при W > Wнкв, где Wнкв - наименьшая капиллярная влажность, приводит к увеличению толщины прослойки жидкости между частицами, что приводит к ослаблению сил межчастичного взаимодействия и усилению роли капиллярных сил. Важно и то, что в ориентированных силовым полем поверхности частиц слоях молекул воды при Wнкв практически полностью отсутствует броуновское движение. Молекулы капиллярно-подвижной воды, принимая участие в броуновском движении, увеличивают степень беспорядка в системе и уменьшают все основные ее свойства.
Wнкв является узловой точкой количественнокачественных изменений, происходящих в дисперсной системе при увлажнении или обезвоживании, и по отношению Wнкв/(W1-Wнкв) можно прогнозировать связность и пластическую прочность влажного материала. По величине Wнкв можно судить о водоудерживающих свойствах дисперсной системы, которая, в свою очередь, предопределяется химическим, минеральным и гранулометрическим составом. Чем выше содержание частиц твердой фазы размером 0,5-1,0 мкм и менее, тем выше будет значение Wнкв и водоудерживающая способность дисперсной системы, а также ее структурно-механические свойства [5].
Поэтому величину Wнкв необходимо обязательно использовать в качестве комплексного параметра дисперсной системы при управлении ее свойствами. Определение Wнкв можно проводить двумя основными методами: методом капиллярной пропитки сухого слоя материала при различных значениях Кт либо по методу влагоемких сред Лебедева - Васильева (для набухающих или взаимодействующих с водой материалов).
Чрезвычайно важную информацию о структуре и свойствах дисперсной системы можно получить и при использовании объемных фазовых характеристик, получаемых при проведении компрессионных исследований путем перевода трехфазной системы в двухфазное (Т + Ж), водонасыщенное состояние или при капиллярной пропитке сухих (Т + Г) материа-
лов. Используя отношения фазовых характеристик (например, (Кж + Кг)/Кт = (1 - Кт)/Кт), можно получить пропорциональное отношение размера пор к размеру частиц или, при известной удельной поверхности, определить толщину газожидкостной прослойки между частицами по формуле
1 - Кш Кт S.
(1)
где Sv - удельная поверхность единицы объема материала, м2/м3.
Из графической зависимости (рис. 1) видно, что толщина газожидкостной прослойки предопределяется влагосодержанием материала, его дисперсностью (Буд) и гранулометрическим составом, а точнее, соотношением между его грубодисперсной и тонкодисперсной составляющими. Сравнивая характер зависимостей 5пл = и Рт = :Т^), можно прийти
к выводу, что пластическая прочность влажного материала прямо пропорциональна величине 1/8пл:
Рт = К/5П
(2)
где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от дисперсности, гранулометрического состава и природы материала [1].
5 п л ,
0,20
0,2 8
W а б с , %
Рис. 1. Взаимосвязь между абсолютной влажностью материала ^абс) и толщиной межчастичных прослоек ((^щ): 1 и 2 - номер смеси
Результаты и их обсуждение
Эти графические зависимости позволяют также объяснить причину различного поведения грубодисперсных и пластичных материалов при определении пластической прочности. Если грубодисперсные материалы резко уменьшают свою прочность при небольшом увеличении влажности, то пластичные не столь чувствительны к изменению влагосодержания.
Поэтому для повышения эффективности управления свойствами дисперсных систем целесообразно иметь представление о составе и свойствах двух основных ее частей - структурного каркаса и поро-вого вещества. Структурный каркас формируется из относительно грубодисперсных частиц, в промежутках между которыми размещается тонкодисперсная часть материала. Соотношение между этими частями определяется на основе траектории дос-
5
тижения максимальной степени упаковки частиц Кт в зависимости от зернового состава смеси.
Весьма эффективно использование для этих целей отношения AW/AKp, отражающего принцип технологического соответствия между уплотнением материала и его влагосодержанием при проведении компрессионных исследований материалов с различным начальным влагосодержанием или при исследовании закономерностей капиллярной пропитки слоя сухого материала с различной начальной плотностью. Линейный характер зависимости Кт = f(W) позволяет определить отношение AW/AKp, значение которого изменяется в пределах 0,4-1,0, если частицы структурного каркаса не обладают пористостью. Изменению объемной концентрации твердой фазы ДКт соответствует строго определенное изменение влагосодержания ДW, и отношение ДW/ДКт является постоянной величиной для данного материала. По этой величине можно оценивать уплотняемость, гранулируемость и формуемость материалов. Оптимальность гранулометрического состава твердой фазы можно оценить по величине параметра n и зависимостей Кт = f(W) для смесей с различным дисперсным составом при ДW = const. При этом смеси с оптимальным составом будут характеризоваться минимальным значением параметра n, свидетельствующим о небольшой перестройке структуры при переходе ее из одного состояния в другое.
Наличие тонкодисперсного порового вещества является обязательным условием стабильности влажной дисперсной системы, так как свойства образующейся поровой суспензии предопределяют структурно-механические и реологические свойства всего материала [2].
Таким образом, использование научно обоснованных методов управления свойствами дисперсных систем, направленных на формирование оптимальных свойств этих систем, является основой формирования оптимальных структур на последующих технологических стадиях.
Процесс сушки связнодисперсных материалов с заданной формой и размерами по сравнению с сушкой сыпучих, свободнодисперсных влажных материалов отличается интенсивностью развития массообменных процессов, обусловленных достижением разных конечных результатов. Важнейшей задачей сушки материалов с заданной формой является не только сохранение внешних геометрических размеров и формы, но и создание в этих изделиях плотной, однородной и прочной конденсационно-кристализа-ционной структуры. Поэтому управление процессом сушки таких материалов с целью ее интенсификации предполагает знание закономерностей протекания не только массообменных процессов, но и закономерностей перемещения и удаления влаги из материалов и развития усадочных явлений при сушке.
Влажные материалы с заданной формой являются чрезвычайно сложными объектами сушки, и проконтролировать изменение свойств влажного материала, а особенно его структуры, на основе данных баланса массы достаточно сложно.
Информацию принципиально иного характера о перестройке структуры можно получить, исполь-
зуя правило баланса объемов, являющееся частным случаем закона постоянства объемного фазового состава дисперсной системы применительно к процессу сушки. Согласно правилу баланса объемов при любом способе сушки и интенсивности ее осуществления сумма объемных концентраций составляющих фаз системы в любой момент времени сушки есть величина постоянная. Правило баланса объемов является первым, основополагающим принципом управления процессом сушки влажных материалов с заданной формой.
Вторым принципом управления процессом сушки является принцип технологического соответствия скорости испарения влаги с поверхности материала (режим сушки) и скорости диффузии влаги к поверхности (природа материала). Третьим принципом управления процессом сушки является принцип соответствия или равенства скоростей протекания физико-химических процессов перемещения влаги из массива к поверхности и усадочных процессов в структуре материала.
Необходимость соответствия скоростей технологического воздействия и сопутствующих физикохимических явлений приводит к выводу, что эффективность формирования структуры изделий при сушке предопределяется режимными параметрами сушки и свойствами высушиваемого материала. Из этого следует, что режимные параметры сушки необходимо назначать с учетом свойств материала, которые предопределяют соотношение капиллярно-подвижной и капиллярно-неподвижной воды. В качестве комплексного параметра для оценки свойств материала целесообразно использовать величину наименьшей капиллярной влажности - узловой точки количественно-качественных изменений в дисперсной системе. При Wнкв заканчивается процесс усадки влажного материала, величина которой предопределяется количеством капиллярно-подвижной воды. Поэтому наиболее эффективным приемом при управлении процессом сушки является предельно возможное уменьшение количества капиллярно-подвижной воды, удаление которой требует применения очень мягких, но длительных по времени режимов сушки.
При Wнкв вследствие достаточно высокой степени ориентации молекул воды силовым полем поверхности частиц резко изменяются теплофизические характеристики влажного материала, что приводит к более интенсивному распространению тепла в материале и его прогреву, вследствие чего происходит достаточно быстрое углубление зоны испарения влаги в массиве материала и удаление Wнкв можно провести за короткий промежуток времени, применяя жесткие режимы и не опасаясь развития усадочных явлений.
Удаление капиллярно-подвижной воды можно интенсифицировать с помощью контактного влаго-обмена высушиваемого материала с каким-либо влагоемким материалом, однако этот способ можно применять при сушке единичных крупногабаритных изделий либо при сушке малогабаритных изделий при их массовом производстве.
Свойства высушиваемого материала предопределяют усадку при сушке и способность противостоять усадочным напряжениям. Необходимые
свойства можно придать материалу при соблюдении следующих условий:
- материал должен обладать дисперсным составом, обеспечивающим максимально плотную упаковку частиц, что можно достичь при определенном количественном соотношении структурного каркаса и порового вещества;
- свойства поровой суспензии предопределяют уровень сил адгезионно-когезионного взаимодействия, и необходимо, чтобы силы когезионного взаимодействия в поровой суспензии были равными адгезионным силам на границе между поровой суспензией и частицами структурного каркаса;
- введение в состав поровой суспензии веществ, способных образовывать частицы молекулярного размера, повышает уровень сил когезионно-адгезионного взаимодействия при сушке; в качестве таких веществ можно использовать водорастворимые ПАВ, белки, гели и др.;
- потенциальный уровень сил адгезионнокогезионного взаимодействия можно косвенно оценить по величине Wнкв. Если Wнкв < 14 %, то влажный материал содержит недостаточное количество порового вещества и незначительное увеличение капиллярно-подвижной влаги в материале приводит к резкому снижению связности массы вследствие уменьшения концентрации поровой суспензии и сил адгезионно-когезионного взаимодействия. При значениях Wнкв > 14 % такие явления во влажном материале будут проявляться в меньшей степени.
Поэтому наиболее предпочтительной является сушка материалов, сформированных при Wнкв, когда уровень сил адгезионно-когезионного взаимодействия в массе будет максимальным.
Эффективное управление процессом формирования структуры изделий при сушке предполагает использование в качестве контролирующих параметров объемных фазовых характеристик материа-
ла, структурно-энергетического параметра или степени перестройки структуры. По изменению фазовых характеристик материала в процессе сушки весь процесс можно наглядно представить в виде фазовой диаграммы или оценить высушиваемый материал с помощью различных коэффициентов чувствительности к сушке, можно оценить влияние различных свойств высушиваемого материала или режимных параметров на его поведение при сушке.
Применение объемных фазовых характеристик позволяет установить для процесса сушки влажных материалов с заданной формой следующие закономерности: независимо от температуры сушки материала сумма относительных значений объема усадки материала при сушке и объема его пор после сушки для данного материала есть величина постоянная и равна суммарному количеству объемного содержания жидкой и газовой фаз в исходном материале до сушки:
^Уус + Упор = Кж1 + Кг1, (3)
причем чем меньше значения правой и левой частей этого выражения, тем менее чувствителен материал к сушке.
Полученное соотношение является выражением баланса объема фаз в материале при сушке и частным случаем закона постоянства объемного фазового состава дисперсной системы.
Контроль качества готового изделия в пищевой промышленности чаще всего ведется по органолептическим оценкам. При производстве концентратов напитков к ним добавляются такие показатели качества, как скорость растворения, восстанавливаемость структуры напитка, устойчивость структурированного коллоидного раствора. Поэтому показатели качества гранулы Р, п, Кт и др. в конечном виде устанавливаются по характеристикам готового продукта [3].
Список литературы
1. Попов, А.М. Инстант-продукты с использованием селективно измельченного растительного сырья / А.М. Попов, А.В. Сухоруков, С.Д. Руднев // Известия вузов. Пищевая технология. - 2009. - № 4. - С. 56-58.
2. Попов, А.М. Физико-химические основы технологий полидисперсных гранулированных продуктов питания / А.М. Попов. - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2002. - 324 с.
3. Попов, А.М. Чувствительность влажных дисперсных материалов к сушке и методы ее оценки / А.М. Попов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - № 2. - С. 32-35.
4. Ребиндер, П.А. Физико-химическая механика дисперсных структур / П.А. Ребиндер. - М.: Наука, 1966. - 284 с.
5. Ребиндер, П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия / П.А. Ребиндер. - М.: Наука, 1978. - 368 с.
6. Круглик, В.И. Анализ режимов сушки гидролизатов в связи с использованием в технологии продуктов специального назначения / В.И. Круглик // Техника и технология пищевых производств. - 2009. - № 1. - С. 7.
ГОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», 650056, Россия, г. Кемерово, б-р Строителей, 47.
Тел./факс: (3842) 73-40-40 е-таіі: office@kemtipp.ru
SUMMARY
A.M. Popov, A.M. Sorochkin, A.A. Sarafanov, I.A. Mikhailova, Е.Ь Shilova
Control of wet disperse systems structure and properties
The article concerns modem views of connection forms between moisture and material and classifications of its separate kinds. The results of researches on a wide range of materials allowing to draw a conclusion that solving various technological problems, it is quite enough to separate physico-chemically and physico-mechanically connected water into two basic moisture categories: capillary-mobile and capillary-motionless.
Moisture, water, disperse system, drying.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology 47, Boulevard Stroiteley, Kemerovo, 650056, Russia Phone/Fax: +7(3842) 73-40-40 e-mail: office@kemtipp.ru
- -
