ПИЩЕВЫЕ КОНЦЕНТРАТЫ

Основы сушки сублимацией

Метод сублимационной сушки пищевых про­дуктов основан на способности льда при определенных условиях испаряться, минуя жидкую фазу, т. е. возгоняться.

Чтобы понять сущность этого метода, рассмотрим изменение состояния воды на диаграмме давление — температура (р—Т).

На рис. 13 показано состояние воды в зависимости от давле­ния и температуры.

По левую сторону линии ВАС лежит область. твердой фазы (льда), а сама линия ВАС является границей, которая разде­ляет на участке А С твердую фазу (лед) и жидкую фазу (воду) и на участке В А твердую фазу и фазу газа (пара). По левую сторону от линии ВАС всегда будет находиться лед, по правую сторону — до точки А, соответствующей давлению 613,2 Па, во­да, а ниже точки А — пар.

Таким образом, если при давлении выше точки А (613,2 Па) подводить тепло ко льду, то он должен сначала превратиться в воду, а при дальнейшем подводе тепла вода начинает испарять­ся, переходя в газообразную фазу (пар).

Если давление ниже точки А, то, как видно из диаграммы, лед при подводе тепла может перейти только в газообразное со­стояние (пар), минуя состояние жидкости.

Точка А, так называемая тройная точка, характеризует со­стояние веществ, при котором возможно существование всех трех его фаз одновременно (твердое тело — жидкость — газ или при­менительно к воде: лед — вода — пар). Выше этой точки сущест­вуют в зависимости от температуры все три фазы, причем опре­деленным температурам со-

Ответствует определенная фаза. Ниже точки А воз­можно только два состоя­ния вещества (воды) —твер­дое и газообразное.

Сущность сублимацион­ной сушки и заключается в возгонке льда (воды, пре­вратившейся в кристаллы льда) при давлении паров окружающей среды ниже тройной точки (точки А).

Такая возгонка льда не­посредственно в пар спо­собствует сохранению фор­мы высушиваемого про-

Дукта. Усадки его, что наблюдается при тепловой сушке, не происходит, и продукт после сушки сохраняет свои линейные размеры.

При оводнении такого продукта вода быстро заполняет поры, откуда во время сушки был сублимирован лед, и продукт быстро восстанавливается. Высушенные методом сублимации продукты сохраняют свои исходные качества, экстрактив-ные вещества, ферменты н витамины. По вкусовым качествам восстановлен­ные продукты мало отличаются от продуктов, не подвергавшихся сушке.

Сохранение ферментов и других биологически активных ве­ществ в продуктах, высушенных .методом сублимации, имеет свою теневую сторону. Даже при незначительном содержании воды в высушенных продуктах при хранении наблюдаются реак­ции ферментативного характера, что сказывается на изменении качества продукта. Однако эти реакции вследствие низкой влаж­ности идут очень медленно, и практически многие продукты, вы­сушенные методом сублимации, можно хранить в течение 6 и бо­лее месяцев.

Сушка сублимационным методом при современном состоянии техники обходится дороже тепловой, поэтому сублимации целе­сообразно подвергать те продукты, которые невозможно без яв­ной потери качества высушить методом тепловой сушки. К та­ким продуктам относится, например, творог, при сушке которого тепловым способом получают явно негодный продукт, или мясо кусочками, которые также невозможно получить тепловой суш­кой без потери качества. Методом сублимации целесообразно су­шить целые плоды и ягоды.

Сушку этим методом осуществляют в специальном аппара­те—сублиматоре, представляющем собой герметически закры­ваемый сосуд, в котором расположены полки с помещаемым на них продуктом, к полкам с помощью различных устройств под­водится тепло.

Сублиматор соединен широкой трубой с другим сосудом — десублиматором, где за счет добавочного охлаждения пары суб­лимированного льда опять превращаются в лед, намораживаясь на охлаждаемые поверхности (трубы).

В системе сублиматор — десублиматор специальными ва - куум-насосами поддерживают глубокий вакуум. Сушку в такой системе (рис. 14) осуществляют следующим образом. Подготов­ленный продукт раскладывают на лотки и замораживают в ско­роморозильном аппарате; затем лотки с продуктом помещают в сублиматор, который герметически закрывают.

Если на предприятии нет скороморозильного аппарата, лот­ки с продуктом можно без предварительного замораживания размещать в сублиматоре. В этом случае при создании глубокого вакуума продукт в результате испарения влаги замерзнет, про­изойдет так называемое самозамораживание.

Герметически закрыв сублиматор, системой вакуум-насосов создают в нем разрежение (остаточное давление в сублиматоре должно быть 13,3—66,7 Па), и только при достижении вакуума к продукту с помощью нагревательных элементов подводят теп - - ло. Образующийся в результате возгонки льда пар поступает в десублиматор, где намораживается на трубы, охлаждаемые спе­циальным хладагентом (чаще всего аммиаком). В это время тем­пература продукта находится в пределах от минус 10 до минус 20°С. Такая сушка продолжается 8—10 ч (в зависимости от про­дукта), затем температура повышается и удаление остаточной влаги происходит при плюсовых температурах.

Полное время сушки равно 11—12 ч (мясо). Конечная влаж­ность продукта должна быть 4—5%. Таким образом, сушка про­дукта на сублимационной установке может быть разбита на три периода. Первый период — самозамораживание продукта, когда он теряет в зависимости от условий и структуры первоначаль­ную, легко отдаваемую влагу (3—4%). Второй период—сушка продукта в замороженном состоянии— период сублимации (лио - филизация), за это время из продукта удаляется до 80% влаги. Последний, третий, период — это тепловая сушка, осуществляе­мая при плюсовых температурах. Для получения доброкаче­ственного продукта очень важно, чтобы период тепловой сушки наступил как можно позже и продолжался как можно меньше и чтобы плюсовые температуры не повышались до пределов, при которых разрушались бы биологически активные вещества (ви­тамины, ферменты и пр.) и происходила бы возгонка ароматиче­ских веществ.

Конструкция сублимационной установки должна обеспечи­вать не только нормальное течение собственно сублимации, но и условия, необходимые для правильного проведения третьего пе­риода сушки, при этом решающее значение имеет способ подвода к продукту тепла.

В настоящее время в сублимационных установках применяют три основных способа подвода тепла. Первый способ состоит в использовании пустотелых плит, которые могут предельно близ­ко приближаться к продукту. Теплоносителем для нагрева плит служит горячая вода, этиленгликоль и любая другая инертная жидкость, обладающая большой теплоемкостью и теплоотдачей. Второй способ заключается в применении для нагрева продукта так называемых тэнов — нагревателей в виде пластин различных размеров, обогреваемых электроэнергией, пропускаемой через проволоку большого сопротивления. Третий способ подвода теп­ла— применение кварцевых ламп инфракрасного излучения.

Промышленное значение пока имеет первый способ, он по­зволяет подводить тепло к продукту как радиационно, так и контактно.

Вопрос подвода тепла, казалось бы такой простой в условиях атмосферной сушки, при сублимации становится очень сложным, так как законы тепло - и масеообмена, хорошо изученные при теп­ловых методах сушки, не относятся к сушке в условиях глубокого вакуума. К высушиваемому продукту должно подводиться такое количество тепла, которое обеспечивало бы компенсацию тепло­ты, теряемой продуктом вследствие превращения льда в пар.

Излишне подведенное тепло может вызвать преждевременное оттаивание продукта, что крайне нежелательно, так как приве­дет к порче его.

Недостаточное количество тепла, подводимое к продукту во время сушки, замедлит скорость сушки и в некоторых случаях может привести к ее остановке. В процессе сублимации, по мере высыхания внешнего слоя продукта, подвод тепла к зоне льда за­трудняется, в связи с чем необходимо в этот момент усилить тем­пературу генератора тепла. Однако здесь надо иметь в виду, что чрезмерное повышение температуры источников нагрева может привести к перегреву уже высохших внешних слоев продукта и даже к их подгоранию.

Таким образом, подвод тепла в зону сублимации сквозь уже высушенный продукт снижает скорость сушки. Из сказанного ясно, что для интенсификации процесса сублимации существен­ное значение имеет метод подвода тепла к высушиваемому про­дукту.

Как указывалось, наиболее распространен кондуктивный ме­тод подвода тепла с помощью пустотелых плит, прижимаемых к продукту, разложенному на противнях и накрытому сетками для возможности эвакуации образующегося пара.

Несмотря на предельное приближение плит к противню и к сетке, всегда может быть неплотное прилегание плиты к против­ню и противня к продукту. В этих неплотностях образующаяся разреженная среда (в вакуум-системе) представляет сопротивле­ние теплопроводности. Кроме того, подвод тепла только к внеш­нему слою высушиваемого продукта и при постепенном его вы­сыхании— через высохший слой к внутренней зоне сублимации, заставляет ограничивать толщину высушиваемого продукта и температуру теплоносителя в полках (50—70°С).

Перспективным следует считать нагрев с помощью инфра­красного излучения. Это излучение способно проникать в высу­шиваемый материал на различную глубину, что может обеспе­чить подвод тепла равномерно по всей глубине зоны сублимации и исключит перегрев поверхности продукта. При таком способе подвода тепла исключается необходимость плотного прилегания источников энергии к высушиваемому материалу.

Источником инфракрасного излучения могут быть различные плиты, нагреваемые каким-либо теплоносителем, или тэны (тем­ные излучатели), или различные ламповые излучатели (светлые излучатели).

При выборе инфракрасного излучения следует иметь в виду большую инерционность некоторых из них (например, тэнов), что не дает возможности достаточно точно регулировать подвод тепла.

В ближайшем будущем радиационный подвод тепла с по­мощью различных теплоизлучателей при сублимационной суш­ке получит широкое применение благодаря равномерности на­грева высушиваемого материала, надежности в работе, возмож­ности применения излучателей с малой тепловой энергией.

Существенным моментом при осуществлении сублимационной сушки является удаление из сублиматора образующегося пара.

Наиболее простой способ удаления, применяемый при ва­куумном выпаривании, — откачка паров вакуум-насосами — здесь явно непригоден, так как при давлении среды 66,5 Па, при котором ведется сублимация льда, объем образующегося пара в 10 000 000 раз больше объема льда, и нужно строить мощней­шие пароэжекторные насосы, требующие для работы пар давле­нием до 1 МПа. При работе таких насосов расходуется до 10 кг пара и 800 кг воды на 1 кг испаренной влаги.

Удаление влаги с помощью абсорбентов также имеет ряд су­щественных недостатков: необходимость регенерации сорбента, повышение давления водяного пара над поверхностью поглоще­ния и др. В связи с этим указанный метод не имеет промышлен­ного значения.

Самый распространенный способ удаления пара в процессе сублимации — его десублимация на охлаждаемых поверхностях (трубах).

Десублиматор (или конденсатор-вымораживатель) распола­гается между сублиматором и системой вакуум-насосов. Паро­воздушная смесь, проходя через десублиматор, оставляет влагу, намороженной в виде льда на охлаждаемые до минус 40°С по­верхности, и в вакуум-насос поступает только ничтожная часть неконденсирующихся газов.

В настоящее время разработано множество конструкций кон­денсаторов, однако систематизации их по эффективности дей - \

Ствия не проводилось. Сложность создания эффективно дей­ствующих десублиматоров заключается в том, что пары влаги, минуя жидкую фазу, непосредственно осаждаются в виде льда (твердой фазы), вследствие чего лед неравномерно распределя­ется по поверхности конденсатора. Кроме того, этот процесс идет неравномерно по времени и постепенно затухает. Существенную роль играют размеры и форма самих десублиматоров и располо­жение в них охлаждаемых поверхностей.

К недостаткам конденсаторов-еымораживагелей относится необходимость периодического освобождения намораживающих поверхностей ото льда, что обусловливает периодичность их ра­боты.

Оттаивание льда производится при остановке работы субли­мационной установки, заливкой десублиматора горячей водой, которую затем направляют в канализацию, или подачей в трубы охлаждаемой поверхности вместо хладагента какого-либо тепло­носителя. Последний способ требует большего времени.

При десублимации пара в лед выделяется теплота, равная теплоте испарения воды и теплоте льдообразования. При темпе­ратуре минус 20°С, при которой обычно ведется процесс субли­мации, теплота десублимации пара равна 2881 Дж/кг. Эта теп­лота отводится из десублиматора с помощью хладагента (обыч­но аммиака или фреона).

Теория десублимации пара в достаточной мере не разработа­на, в ней неясны вопросы движения пара вблизи от охлаждаю­щей поверхности и продолжительности формирования льда, тем более, что эти процессы протекают при параметрах, лежащих ни­же тройной точки.