ПИЩЕВЫЕ КОНЦЕНТРАТЫ

Теоретические основы сушки пищевых продуктов

Теорию сушки пищевых продуктов можно раз­делить на три раздела: статику, кинетику и динамику процесса сушки.

Статика сушильного процесса изучает фо, рмы связи между влагой и сухим веществом высушиваемого материала, свойства воздуха как сушильного агента и взаимодействие материала и воздуха во время сушки.

Кинетика и динамика сушильного процесса рассматривают вопросы внутреннего и внешнего переноса тепла и массы в про­цессе сушки, т. е. тепло - и массообмен в условиях нестандартно протекающего процесса, когда непрерывно меняются характери­стики сушильного агента и высушиваемого материала. Объектом сушки обычно является какое-либо вещество, состоящее из твер­дой и жидкой фаз (наличием в нем газообразной фазы можно пренебречь). Отношение массы влаги к общей массе влажного материала определяется как влажность этого материала. Она может изменяться в широких пределах (от 0 до 100%). При влажности 0% мы будем иметь абсолютно сухой материал, при влажности 100% —воду.

В сушильной практике использовать для расчетов влажность материала в связи с переменной величиной показателей трудно, поэтому вводится понятие — влагосодержание материала, при котором неизменной величиной является масса абсолютно сухого вещества.

В л а го с оде р жание материала определяется как отно­шение массы влаги в материале к массе сухого вещества его. Этот показатель изменяется от 0 (абсолютно сухое вещество) до оо (вода).

Для пересчета влагосодержания и влажности материала можно пользоваться следующими формулами:

\ 100Wo \ Wa =------- — 3)

\ 100 — W0

И

(4)

Где Wc—влагосодержанне материала, %; W0 —влажность материала, %.

Связь между влагой и сухим веществом высушиваемого ма­териала в коллоиднокапиллярнопористом теле в зависимости от величины энергии разделяют на четыре формы:

Химическая связь, при которой вода входит в состав молекулы вещества; эта связь обладает наиболее высокой энер­гией. Химически связанную воду удалить из вещества без его разрушения невозможно, поэтому такая форма связи влаги при сушке материала не учитывается. Эта форхма воды не определя­ется принятыми методами определения влажности материала;

Адсорбционная связь, когда вода в виде тонкой плен­ки удерживается силами поверхностного натяжения на внутрен­ней и внешней поверхности мицелл коллоидного тела. Для уда­ления адсорбционной воды необходима длительная сушка;

Осмотическая связь, при которой вода связана с твер­дым телом непрочно и легко удаляется из материала. Иногда этот вид связи называют влагой набухания. Осмотически удер­живаемая адсорбционная вода связана с сухим веществом фи­зико-химической связью;

Капиллярная связь, которой обладает вода, содержа­щаяся в капиллярах и связанная с сухим веществом механиче­ской связью. В зависимости от радиуса капилляра различают макрокапиллярную влагу, которая находится в капиллярах со средним радиусом более 10~5 см, и микрокапиллярную влагу, на­ходящуюся в капиллярах со средним радиусом менее Ю-5 см. Для удаления микрокапиллярной влаги требуется больше энер­гии, чем для удаления макрокапиллярной и даже осмотически удерживаемой влаги.

В сушильной практике влагу в материале различают также по характеру взаимодействия ее с окружающей средой. По этому признаку она делится на свободную, гигроскопическую и равно­весную.

Свободная влага—влага материала, которая испаря­ется с такой же интенсивностью, как влага со свободной поверх­ности.

Известно, что количество влаги, испаренной со свободной по­верхности, прямо пропорционально продолжительности испаре­ния, поверхности испаряющейся жидкости и коэффициенту испа­рения, который зависит от скорости движения воздуха. При ско­рости воздуха, равной 0, испарение происходить не будет, коэф­фициент испарения равен 0. При возрастании скорости воздуха в определенных пределах коэффициент испарения увеличивает­ся. Однако при больших скоростях воздуха влияние скорости на процесс испарения мало заметно.

Следует иметь в виду, что вследствие того, что водяной пар легче воздуха, при испарении влаги со свободной поверхности образуются конвективные токи, что способствует уносу молекул пара и ускоряет испарение. Количественно свободную влагу можно найти как разность между первоначальной влажностью материала и гигроскопической влажностью его.

Гигроскопическая влага — влага, обусловливаю­щая такую влажность материала, при которой упругость паров воды на поверхности материала меньше упругости паров над по­верхностью свободно испаряющейся воды. В этом случае испа­рение влаги из материала протекает медленнее, чем испарение влаги в этих же условиях со свободной поверхности.

Соотношение между свободной и гигроскопической влагой в материале зависит от его 'коллоидно-структурных свойств. Чем больше свободной влаги, тем материал быстрее сохнет.

Равновесная влага — влага, создающая влажность ма­териала, при которой наступает равновесие между материалом и сушильным агентом. При этой влажности передвижения влаги из материала в сушильный агент и обратно не наблюдается. Такая равновесная влажность зависит от температуры и относительной влажности воздуха и изменяется с изменением их.

Графически равновесная влага может быть определена по кривым десорбции (процесс снижения влажности до равновес­ной) и сорбции (процесс поглощения влаги материалом из воз­духа).

На рис. 1 изображены кривые десорбции (1) и сорбции (2). Пересечение абсциссы относительной влажности воздуха (cpm) с кривыми (точки А к В) дает соответственно значения равновес­ной влажности материала (Wm и Wп ) при указанной относитель­ной влажности воздуха.

Некоторое смещение кривых образует так называемый гисте­резис. Причины такого явления полностью не выяснены, однако установлено, что при сорбции равновесная влажность материала (при нормальных условиях) для средних значений кривых всегда меньше, чем при десорбции.

Равновесную влажность продукта можно рассчитать математически по целому ряду формул, предложенных многими исследователями сушильного процесса (Филоненко, Коссек, Гришин и др.), или определить опытным пу­тем. Таблицы равновесной влажности имеются в специальной литературе.

Сушильный процесс представляет собой процесс удаления влаги из материала до достижения равновесной влажности. Равновесная влажность имеет большое значение в сушильной практике, так как по ее значению определяют потенциальную возмож­ность воздуха как сушильного агента, связь влаги с материалом, условия хранения высушенного про­дукта, характер тары для его упаковки. На протекание сушиль­ного процесса большое влияние оказывают также влагопро - водность и влагоотдача материала.

Влагопроводность (перенос влаги внутри материа­ла) — это способность влаги перемещаться из центра материала к его пограничному слою в виде жидкости или пара.

Интенсивность перемещения зависит от физико-химических свойств материала, влажности, температуры, причем в процессе сушки эта интенсивность падает.

Влагоотдача (внешний перенос) — способность влаги пе­ремещаться в зону испарения. Влагоотдача также изменяется в процессе сушки и зависит от состояния наружного слоя мате­риала.

Как указывалось, в качестве теплоносителя и влагопоглоти - теля в сушильной практике в промышленности пищевых концент­ратов применяют воздух. Свойства воздуха как сушильного аген­та (теплоносителя и влагопоглотителя) определяются его физи­ческим состоянием.

Воздух содержит кроме смеси газов (кислорода, азота, инерт­ных газов, углекислоты) некоторое количество водяных паров.

Масса водяных паров, содержащаяся в 1 м3 воздуха, выра­жает абсолютную влажность воздуха (у). Чем боль­ше водяных паров в воздухе, тем выше его абсолютная влаж­ность. Однако наступает момент, когда воздух теряет способ­ность поглощать при определенной температуре влагу, т. е. ста­новится насыщенным. При дальнейшем поступлении влаги в воз­дух наблюдается явление конденсации пара. Момент начала та­кой конденсации — то ч к а росы. Каждой температуре соответ­ствует своя точка росы. Значение максимально возможного ко­личества пара, содержащегося.^рй-^ндоіітемперату'ре в едини-
це объема воздуха, можно определить по таблицам водяного па­ра М. П. Вукаловича.

Кроме абсолютной влажности различают также относи­тельную влажность воздуха (ср)—отношение абсо­лютной влажности его к максимально возможному количеству влаги в 1 м3 при тех же условиях. Относительная влажность ха­рактеризует потенциальную способность воздуха поглощать вла­гу. Чем ниже относительная влажность воздуха, тем выше его потенциальная способность поглощать влагу. Таким образом, от­носительная влажность воздуха является его качественной ха­рактеристикой.

В сушильной практике существует понятие «потенциал сушки», который определяется как разность между показате­лями сухого и мокрого термометров:

K = tc — tyi. (5

Потенциал сушки характеризует способность воздуха к по­глощению влаги. При условии полного насыщения воздуха (ф = 100%) показание сухого термометра равно показанию мо­крого термометра и потенциал сушки равен 0. Воздух в этом слу­чае не будет способен насыщаться влагой и как сушильный агент потеряет значение. Таким образом, чем больше разница в пока­заниях сухого и мокрого термометров, тем лучше воздух как су­шильный агент.

В практической работе на качество воздуха, используемого для сушки, следует обращать пристальное внимание.

В процессе сушки в связи с изменением температуры воздуха, насыщения его парами испаренной влаги изменяются его абсо­лютная и относительная влажность. Являясь переменными вели­чинами, они значительно усложняют расчеты процесса сушки. Поэтому в сушильной практике вводят понятие — в л аго со­держание воздуха (d), под которым подразумевают мас­су водяного пара, отнесенную к неизменяющейся величине 1 кг сухого воздуха.

Используя это понятие, можно по известной формуле рассчи­тать расход воздуха для сушки:

1000

L=U——, (6)

А — а0

Где L — расход воздуха, кг/ч;

U — количество влаги, испаренной в 1 ч, кг;

D — влагосодержание воздуха, выходящего из сушилки, г на 1 кг сухого воздуха;

Do — влагосодержание воздуха, поступающего в сушилку, г на 1 кг сухого воздуха.

Рассчитанный расход воздуха в кг/ч можно перевести в м3/ч по уравнению

V = LV „, (7)

Где V — расход воздуха, м3/ч;

Vo— объем влажного воздуха, приходящегося на 1 кг сухого воздуха, mj (берется из таблиц параметров воздуха).

По рассчитанному расходу воздуха могут быть подобраны н калориферы для его нагрева. При выборе вентиляторов следует иметь в виду не только необходимое количество воздуха, но и его напор, обеспечивающий достаточную скорость воздуха.

Воздух, нагретый до определенной температуры, соприка­саясь с высушиваемым материалом, передает ему часть своего тепла, за счет чего происходит испарение влаги, находящейся в материале.

Теплосодержание влажного воздуха (энтальпию) можно рас­сматривать как слагаемое из двух частей.

Первая часть — тепло, необходимое для нагрева влажного воздуха от 0 до f С. Это тепло воздух при соответствующих усло­виях может передать высушиваемому материалу, в результате чего температура воздуха снижается. Количественно эта часть тепла равна произведению теплоемкости влажного воздуха на его температуру (cm. вt). Чем больше такого тепла будет пе­редано высушиваемому материалу, тем экономичней использует­ся теплоенергия воздуха.

При теоретическом процессе сушки, который идет без потерь тепла во внешнюю среду, это тепло тратится только на испаре­ние влаги и поэтому остается в смеси воздуха и водяного пара (испаренной воды), не изменяя теплосодержания влажного воз­духа. В практике следует учитывать тепловые потери, наблюдае­мые при введении сушки (на теплоизлучение, на нагрев кон­струкций сушильного аппарата и т. п.), в связи с чем теплосо­держание отработавшего воздуха несколько ниже, чем посту­пающего в сушильный аппарат.

Вторая часть — теплосодержание (энтальпия) влажного воз­духа при 0°С. Эта часть тепла не может использоваться при сушке и уходит с влажным воздухом. Тепло это прямо пропор­ционально влагосодержанию, поэтому чем влагосодержанпе вы­ше, тем воздух как сушильный агент менее идеален.

Воздух в процессе сушки является не только теплоносителем и влагопоглотителем, но и влагоудалителем. Удаление влаги с воздухом возможно только при его движении, без движения воз­духа нельзя осуществить конвективную сушку. Скорость движе­ния воздуха зависит от его количества, сечения сушилки и вну­тренних сопротивлений, создаваемых аппаратом и высушивае­мым продуктом.

Процесс сушки представляет собой взаимосвязанные процес­сы тепло - и массообмена между высушиваемым материалом и сушильным агентом. Этот обмен может протекать как на поверх­ности материала (внешний тепломассообмен), так и внутри ча­стиц материала (внутренний тепломассообмен).

Для характеристики процесса сушки используют кривые суш­ки (рис. 2), которые строят в координатах t (время сушки) и Wc (влагосодержание). Участок прямой АВ характеризует по-

Стоянную скорость сушки (за равные промежутки времени испаряется одина­ковое количество влаги).

Этот период сушки назы­вается периодом постоянной скорости сушки. Темпера­тура материала в этот период равна температуре мокрого термометра, т. е. испарение влаги происходит только с поверхности мате­риала, а влага из внутрен­них слоев его диффундирует на поверхность в жидком виде. Первый период сушки продолжается до тех пор,

Пока влажность материала не сравняется с гигроскопической влажностью.

На продолжительность первого периода и интенсивность суш­ки влияет в первую очередь не температура сушильного агента, а его объем и количество тепла, подводимого с ним. В данном слу­чае, учитывая, что температура продукта в этот период сушки не может быть выше температуры мокрого термометра, т. е. практически всегда ниже 100°С, нет смысла значительно завы­шать температуру сушильного агента и, наоборот, желательно увеличить его объем. Во избежание охлаждения продукта и оста­новки из-за этого процесса сушки нужно подводить к высушивае­мому материалу не меньше тепла, чем затрачивается его на испарение влаги. Интенсивность процесса сушки в этот период не зависит от физико-химических свойств материала и влагосо - держания, а является только функцией параметров сушильного агента.

Участок кривой ВС характеризует второй период сушки, ко­гда скорость сушки уменьшается с уменьшением влагосодержа - ния материала. Температура материала в этот период все время увеличивается и к концу его приближается к температуре су­шильного агента.

После достижения гигроскопической влажности продукта ха­рактер испарения влаги меняется. Зона испарения влаги все вре­мя перемещается в глубь материала, и испарение уже происхо­дит не с поверхности продукта, а на некоторой глубине. Так как в данном случае зона испарения углубляется, скорость сушки все время снижается. В результате обезвоживания верхних слоев материала происходит нарушение капилляров продукта (сжатие их), что вызывает существенное уменьшение скорости сушки и деформацию продукта.

В этот период сушки важно поддерживать как можно более
высокую температуру продукта в результате повышения темпе­ратуры сушильного агента. Однако температуру сушильного агента надо выбирать с учетом технологических свойств мате­риала, что в некоторых случаях может ограничить уровень ее.

На рис. 2 точка В по абсциссе характеризует гигроскопиче­скую влажность Wr, точка С—равновесную влажность Wp, прп достижении которой сушильный процесс прекращается.

Во второй период сушки на протяженность процесса и его интенсификацию основное влияние оказывают температура теп­лоносителя и физико-химические свойства продукта.

Продолжительность сушки математически определяется мето­дами Г. К. Филоненко и М. А. Гришина по уравнению

С dW

{\х\ — WK) + А 1--------------- ь р (W — №.,)

Vi ют j _w н v к

W.

Где т — продолжительность сушки, мин;

N — скорость постоянного периода сушки, %/мин;

Wі — начальное влагосодержание материала, %; і

W2 — конечное влагосодержание материала, %; ;

Wк — критическое влагосодержание материала, %; Wp — равновесное влагосодержание материала, %; Л, от,|5 — постоянные коэффициенты для данного материала, не зависящие от его влажности.

Для вареных круп показатель m = 2, тогда уравнение (8) примет вид

1

• IW. — W. Л 4- А

(Wl-^pK^-^p)

N

Критическое влагосодержание WK можно определить по фор­муле

К 1 F 100

Где С — коэффициент, равный для перловой крупы 0,3, пшена — 0,45, риса — 0,5, гречневой крупы — 0,8, пшеничной — 0,6, для гороха (плющено­го) — 0,35; Мс— масса сухого материала, кг; F — поверхность испарения, м2; К — потенциал сушки.

Коэффициенты А и (3, выведенные М. А. Гришиным и В. Н. Коссеком и зависящие от скорости постоянного периода сушки, для некоторых видов круп и гороха представлены в табл. 2.

Коэффициент В равен

Где pf — массовая скорость, не зависящая от температуры воздуха (произве­дение массы единицы объема р кг/м3 на скорость воздуха в м/с); Кср —средний интегральный потенциал сушки в самом слое. '

Где Ко — потенциал сушки при входе в слой;

А — коэффициент, равный для гречневой крупы — 0,325, пшеничной — 0,37, пшена — 0,385, перловой крупы —0,27, гороха — 0,46.

Таким образом, пользуясь приведенными коэффициентами, зная начальное, конечное и равновесное влагосодержание, мож­но сравнительно легко определить скорость сушки вареных круп.