CC BY
1442. Tan EC. Sustainable process design for biofuel production via syngas conversion pathway. National renewable energy lab. (NREL), Golden 2019. CO (United States.
43. Tham R, Bowatte G, Dharmage S, Morgan G, Marks G, Cowie C. Health Cobenefits and impacts of transitioning from fossil-fuel based to cleaner energy sources in higher-income countries: what do we know? ISEE conference Abstracts 2018.
44. The energy value and economic efficiency of solid biofuels produced from digestate and sawdust. Energy 2018;159:1118-22.
45. Tijmensen MJA, Faaij APC, Hamelinck CN, van Hardeveld MRM. Exploration of the possibilities for production of Fischer Tropsch liquids and power via biomass gasification. Biomass Bioenergy 2002;23:129-52.
46. Uasuf A, Becker G. Wood pellets production costs and energy consumption under different framework conditions in Northeast Argentina. Biomass Bio-energy 2011; 35:1357-66.
47. Venderbosch RH. Fast pyrolysis. Thermo-chemical processing of biomass: conversion into fuels, chemicals and power. 2019. p. 175-206.
48. Wijayanta AT, Aziz M. Ammonia production from algae via integrated hydrothermal gasification, chemical looping, N2 production, and NH3 synthesis. Energy 2019;174:331-8.
49. Winjobi O, Shonnard DR, Bar-Ziv E, Zhou W. Techno-economic assessment of the effect of torrefaction on fast pyrolysis of pine. Biofuels, Bioproducts and Biorefining 2016;10:117-28.
50. Yang J., Quan (Sophia) He Q.S., Corscadden K., Niu H., Lin J., Astatkie T. Advanced models for the prediction of product yield in hydrothermal liquefaction via a mixture design of biomass model components coupled with process variables, Applied Energy 2019, 233-234, 906-915. https://doi.org/10.10167j.apen-ergy.2018.10.035
51. Yang Y, Tilman D, Lehman C, Trost JJ. Sustainable intensification of highdiversity biomass production for optimal biofuel benefits. Nature Sustaina-bility 2018;1:686.
52. Zhang L, Li S, Ding H, Zhu X. Two-step pyrolysis of corncob for value-added chemicals and high-quality bio-oil: effects of alkali and alkaline earth metals. Waste Manag 2019;87:709-18.
53. Zhao X, Naqi A, Walker DM, Roberge T, Kas-telic M, Joseph B, et al. Correction: conversion of landfill gas to liquid fuels through a TriFTS (tri-reforming and Fischer-Tropsch synthesis) process: a feasibility study. Sustainable Energy & Fuels 2019.
54. Zhu L, Li P, Sun T, Kong M, Li X, Ali S, et al. Overexpression of SFA1 in engineered Saccharomyces cerevisiae to increase xylose utilization and ethanol production from different lignocellulose hydrolysates. Bioresour Technol 2020:123724.
ВАКУУМНАЯ ДЕГИДРАТАЦИЯ МАЛЫХ ПОРЦИЙ ПЛОДОВО-ЯГОДНОГО СЫРЬЯ В
ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Лесовская М.И., Кривцов Н.Е.
Красноярский государственный аграрный университет,
Красноярск, Россия
VACUUM DEHYDRATION OF SMALL PORTIONS OF FRUIT-BERRY RAW MATERIALS UNDER
LABORATORY CONDITIONS
Lesovskaya M., Krivtsov N.
Krasnoyarsk state agrarian university, Krasnoyarsk, Russia
Аннотация
В статье обсуждаются результаты использования простой конструкции вакуумной сушилки для получения малых образцов лиофилизированного плодово-ягодного сырья в лабораторных условиях.
Abstract
The article discusses the results of using a simple vacuum dryer to obtain small samples of lyophilized fruit and berry raw materials in laboratory conditions.
Ключевые слова: лабораторное оборудование, плодово-ягодное сырьё, малые образцы, вакуумная сушка.
Keywords: laboratory equipment, fruit and berry raw materials, small samples, vacuum drying.
Сублимационная сушка (лиофилизация, возгонка) представляет собой наиболее совершенный способ консервирования, практически не имеющий ограничений по выбору субстрата [5]. С помощью сублимационной технологии можно надёжно за-
консервировать мясные, овощные, плодово-ягодные виды сырья и пищевых продуктов, полностью сохраняя все витамины и биологически активные вещества в их составе [2].
Сушка является диффузионно-десорбционным процессом, в ходе которого влага из продукта может быть переведена в окружающую среду различными способами: за счет соприкосновения влажной поверхности материала с нагретым воздухом, топочным газом или нагретой поверхностью корпуса или змеевика. Эффективным способом является воздействие инфракрасных излучений в атмосфере высокого вакуума. Такие технологии реализуются с помощью заведомо сложных конструкций, поскольку основаны на использования тепловой энергии [4].
В лабораторных условиях наиболее доступным является способ вакуумной сушки, основанный на принципе понижения температуры кипения воды в условиях вакуума. Для этого воздух максимально откачивается из герметичной камеры. Такой технологический подход создаёт большие преимущества вакуумной сушки. Удаление воздуха из рабочей камеры минимизирует окислительные процессы в биологических тканях, поэтому в них сохраняются наиболее ценные биорегуляторы - витамин С, биофлавоноиды, пектин и другие антиокси-данты, которые являются наиболее дефицитными в рационе человека [3]. Кроме того, сопутствующее падение парциального давления кислорода ингиби-рует процессы жизнедеятельности микроорганизмов и обеспечивает биологическую безопасность сублимированных объектов.
В свою очередь, организовать полноценный сублимационный процесс в лабораторных условиях можно как минимум двумя способами: с использованием стадии замораживания в обычном бытовом холодильнике либо при комнатной температуре с использованием адсорбента для паров воды. Этот путь является предпочтительным, поскольку одним из наиболее эффективных и доступных сорбентов является силикагель (гель из перенасыщенного раствора кремниевой кислоты).
С помощью вакуумных технологий получают продукты длительного срока хранения, необходимые для жизнеобеспечения человека при работе в экстремальных условиях, включая полярные, морские и орбитальные вахты [1]. Эти технологии требуют сложного промышленного оборудования, поэтому получаемые продукты имеют высокую стоимость, что сдерживает их широкое распространение в других сферах. В частности, в
исследовательской практике нередко возникает необходимость получить малые образцы сублимированных материалов, например, при проектировании новых сочетаний ингредиентов в составе пищевых продуктов. Для этого требуется провести скрининг большого количества разнообразных образцов растительного сырья, нередко нетрадиционного. В этом случае первоочередной задачей является не наработка больших объёмов сублимированных материалов, а создание коллекций малых образцов из различного сырья. Производственные условия и мощности при этом недоступны, однако они и не требуются.
Наиболее оптимальным способом является конструирование минималистичной установки в лабораторных условиях из доступного оборудования. Необходимым условием использования такой установки будет испытание режимов и эффективности процесса.
Целью настоящей работы было конструирование портативной лабораторной вакуум-установки и выявление оптимальных условий работы для лио-филизации малых образцов различного растительного сырья. Задачи исследования включали определение средней скорости обезвоживания субстрата при заданном объёме вакуум-эксикатора и адсорбционном способе влагоотведения.
Материалы и методы. Материалом служили образцы растительного сырья, предварительно замороженные до температуры -18оС: плодовые отжимки плодов черёмухи, ирги (водные и спиртовые), калины, рябины, красной смородины, черной смородины, а также сироп боярышника. В работе использована простейшая лиофильная установка, собранная из вакуумного насоса и эксикатора с керамическими вкладками (рис. 1, 2). Рабочее давление в ходе экспозиции Р=-95 кПа.
Эксикатор заполняли слоями песка (для регулирования объёма камеры) и влагопоглотителя (си-ликагеля), между которыми располагали образцы растительного сырья в тиглях. Определяли нетто-массу растительного образца до и после вакуум-экспозиции, по разнице величин судили о скорости удаления влаги из объекта. Эксперименты проводили в трёх повторностях, результаты усредняли и рассчитывали дисперсию и ошибку средневыбо-рочной.
Рис. 1. Основные элементы лабораторной портативной установки для вакуум-сушки
Рис. 2.
Схема лабораторной установки для вакуум-сушки 1 - вакуумный эксикатор, 2 - песок, 3 - матерчатый паропроницаемый фильтр, 4 - силикагель, 5 - образец, 6 - крышка, 7 - соединительный шланг, 8 - трёхходовой кран, 9 - вакуумметр (манометр), 10 - вакуумный насос.
Результаты и обсуждение. На первоначальном этапе исследования сравнивали скорость обезвоживания образцов (отжимки ирги) при 25оС в условиях атмосферной сушки и под вакуумом, при этом объём эксикатора не был заполнен песком. Как видно из рис. 3, при использовании вакуумной сушки скорость процесса была выше в 1,6 раза, чем при атмосферной (для равной потери массы образцов потребовалось 20 и 12,5 ч соответственно).
Рис. 3. Динамика обезвоживания растительного образца (отжимки ирги) при 25оС в условиях атмосферной (1) или вакуумной сушки при исходном (2) или сокращённом (3) объёме вакуум-камеры
Затем воздушный объём эксикатора был уменьшен на 80% с помощью просеянного и прокалённого речного песка. В результате скорость вакуумной сушки увеличилась ещё на 30%, и достижение равной потери массы при обезвоживании образца происходило в течение 540 мин., или 9 часов. Дальнейшее исследование динамики лиофилиза-ции различного вида сырья проводились при использовании эксикатора с предельно сокращённым объёмом рабочей вакуум-камеры.
боярышник, с^рсл смородина чёрная смородина красная рябина калина
черёмуха
ир-а стж и iVi к и в э_аноле ирга водные отнимем
0 500 1000 1500
Рис. 4. Период равной влагопотери (19%) для различных образцов растительного сырья в ходе вакуумной сушки при 25оС и сокращённом объёме вакуум-камеры
Из рис. 4 следует, что с наибольшей эффективностью процесс сублимации протекал при использовании водных вытяжек ирги и черёмухи, с наименьшей - при использовании выжимок смородины обоих видов и сиропа боярышника (без заморозки). В дальнейшей работе будет исследована динамика процесса сублимации после предварительного замораживания объектов.
Выводы
1. Использование простейшей портативной установки позволяет проводить вакуумное высушивание малых образцов растительного сырья для создания коллекции лабораторных ресурсов.
2. Эффективность лабораторной вакуумной сушилки возрастает при сокращении объёма рабочей камеры с помощью сыпучего материала (песок).
3. С наибольшей скоростью происходило сублимирование отжимок плодов ирги и черёмухи, с наименьшей - отжимок ягод смородины и сиропа боярышника.
Список литературы
1. Аристов Н.И. Космическое питание. Технологии. История и современность // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. - 2017, Т. 3. -№13. - С. 980-982.
2. Доронин А.Ф., Изотова Т.Н., Двоеносова П.А. Функциональные продукты длительного хранения // Пищевая промышленность - 2007. - №1. -С. 28-29.
3. Лесовская М.И Скрининг высокотехнологичных пищевых адаптогенов для профилактики окислительного стресса // Sciences of Europe (SoE). - 2019, V.3 - №45. - P. 28-32.
4. Семенов Г.В., Буданцев Е.В., Булкин М.С. Качество и энергозатраты в процессах вакуумного обезвоживания термолабильных материалов // Пищевая промышленность. - 2011. - №1(319). -С. 65-68.
5. Семенов Г. В., Касьянов Г. И. Сушка термолабильных продуктов в вакууме - технология XXI века // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2001. - №4. - С. 5-13.
