Изотермы сорбции и десорбции

Количественное соотношение воды и сухих веществ в продукте оказывает существенное влияние на выбор параметров сушки и на условия хранения сухого продукта. Если в продукте, предназначенном для сушки, содержится много белков, то максимальная температура сушки не должна вызывать их денатурацию. Количество в продукте сахаров определяет количество воды, которое можно удалить при сушке, чтобы не происходило реакций меланоидинообразования при хранении.

С биологической точки зрения решающей характеристикой продуктов является не количественное содержание в них воды, а ее состояние. Состояние влаги в продукте (способность материала удерживать воду) характеризуется равновесным влагосодержанием.

Равновесное влагосодержание – то, при котором давление водяного пара над продуктом будет равно парциальному давлению водяного пара в окружающей среде. При этом температура продукта равна температуре окружающего воздуха.

Равновесное влагосодержание определяет способность продукта удерживать влагу и играет большую роль при сушке. По значению этого показателя определяют связь влаги с материалом; потенциальную возможность воздуха, как сушильного агента; условия хранения высушенных продуктов; вид тары для упаковки сушеных продуктов. Значение равновесного влагосодержания входит в уравнение продолжительности сушки, так как удаление влаги при сушке происходит только до равновесного влагосодержания, которое соответствует определенным параметрам сушильного агента.

Удаляемая влага при сушке (W_у) определяется как равность влагосодержания продукта (W) и равновесная влажность (W_р):

W_у = W - W_р (1.5)

Равновесное влагосодержание зависит от влажности и температуры воздуха и способа достижения его равновесия. Графически зависимость между равновесным влагосодержанием продукта и влажностью воздуха при определенных постоянных значениях температуры называется изотермой сорбции или десорбции продукта.

Если равновесие достигнуто путем поглощения влаги из окружающего воздуха, то получается изотерма сорбции. Если же равновесие достигнуто при отдаче влаги продуктом окружающему воздуху, то образуется изотерма десорбции (сушка).

Равновесное влагосодержание определяется экспериментально по изотермам сорбции и десорбции, так как различные формы связи влаги с материалом и разнообразие структур продуктов не позволяют определить его аналитическим путем. При определении равновесной влажности продукт выдерживают в воздушной среде с постоянной влажностью и температурой до равновесного состояния.

Изотермы сорбции и десорбции для картофеля представлены на рисунке 1.1. Изотермы сорбции и десорбции растительных продуктов имеют S-образный характер. Для одного и того же продукта они совпадают только при очень малых и очень больших значениях относительной влажности воздуха, при других значениях – не совпадают. При этом образуется площадь гистерезиса.

Изотермы сорбции располагаются выше, чем изотермы десорбции и равновесное влагосодержание при одинаковом значении относительной влажности воздуха при десорбции больше, чем при сорбции.

Причины гистерезиса для растительных продуктов заключаются в том, что в капиллярно-пористых материалах в капиллярах содержится воздух. Это уменьшает смачиваемость капилляров при сорбции. Поэтому, если предварительно выдержать сухой материал в глубоком вакууме перед сорбцией, то площадь гистерезиса уменьшается или исчезает совсем, и кривая сорбции приближается или совпадает с кривой десорбции.

Характер изотерм зависит от вида связи влаги с материалом. Для капиллярно-пористых материалов S-образные изотермы сорбции и десорбции сначала в области малых значений (φ = 10-20 %) обращены выпуклостью к оси абсцисс. Это соответствует мономолекулярной адсорбции. При реальной сушке материала влага, связанная мономолекулярной адсорбцией, не удаляется. Затем выпуклость кривой обращена к оси ординат (φ = 60-80 %). На этом участке происходит полимолекулярная адсорбция. В дальнейшем изотерма плавно переходит к пологой кривой, наклоненной к оси абсцисс. Это соответствует переходу к осмотически и кипиллярно-связанной влаге. На пологом участке происходит поглощение воды макрокапиллярами при непосредственном соприкосновении материала с водой. Равновесное влагосодержание, которое соответствует максимальной степени насыщения воздуха парами воды (φ = 100 %) называется гигроскопическим влагосодержанием. С повышением температуры значение гигроскопического влагосодержания уменьшается.

Гигроскопическое состояние пищевых продуктов охватывает значительный диапазон влажности и на удаление этой влаги приходится значительная часть времени сушки, т.к. в этот период удаляется наиболее прочно связанная влага. Значение гигроскопического влагосодержания приведено в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Гигроскопическое влагосодержание для плодов и овощей

Наименование продуктов	Гигроскопическое влагосодержание, %
Картофель	50-130
Морковь	47-80
Лук	53-90
Свекла столовая	80-100
Зеленый горошек	47-82
Яблоки	42-74
Абрикосы	63-80
Хурма	40-110

 

На основании экспериментальных данных выведены зависимости для определения равновесного влагосодержания некоторых продуктов.

Для круп и бобовых при производстве пищеконцентратов равновесное влагосодержание определяется по уравнению 1.6:

W_р = (K₁ – K₂*t)* (1.6)

где: К₁ и К₂ – константы круп и бобовых до и после гидротермической обработки. Значение констант приведено в таблице 1.2.

Уравнение 6 действует в пределах относительной влажности воздуха от 20 до 70 % при температурах воздуха от 10 до 90 ⁰С.

Таблица 1.2 – Значения констант для круп и бобовых

Наименование продуктов	Значения К1	Значения К2
Крупа гречневая	1,10	0,007
Крупа пшеничная	1,05	0,006
Крупа перловая	1,15	0,008
Горох плющеный	0,93	0,007
Крупа рисовая	1,22	0,0065
Крупа пшено	1,17	0,0055

Для картофеля равновесное влагосодержание определяется по уравнению 1.7.

W_р = 1,65* (1.7)

Равновесное влагосодержание для овощных порошков распылительной сушки определяется по формуле 1.8.

W_р = (а + b*φ)² (1.8)

Значения коэффициентов а и b для порошков приведены в таблице 1.3.

 

Таблица 1.3 – Значения коэффициентов а и b для порошков

Наименование продуктов	Значение коэффициентов
а	b
Шпинат	1,2	0,0354
Зеленый горошек	1,4	0,0347
Кабачки	1,05	0,056

 

Основные компоненты плодов и овощей – сахароза, крахмал, пектин и клетчатка оказывают различное влияние на связь влаги с материалом. Величина равновесного влагосодержания при одинаковой относительной влажности и температуре воздуха наибольшая у пектина (а, следовательно, наибольшая и энергия связи), несколько меньшая у крахмала и самая меньшая у сахарозы. Поэтому влага наиболее прочно связывается пектином, затем крахмалом, клетчаткой и сахарозой. Содержание этих компонентов в растительных материалах оказывает существенное влияние на продолжительность процесса сушки.

 

Кривая сушки и ее анализ

В процессе сушки влажных материалов происходят взаимосвязанные процессы тепло- и массообмена между материалом и сушильным агентом. Наружные процессы характеризуются внешним массообменном – испарением влаги, т.е. движением пара от поверхности материала в окружающее воздушное пространство и внешним теплообменом между нагретым газом и поверхностью материала. При испарении влаги с поверхности нарушается равновесие. Внутренние части продукта имеют более высокую влажность и, соответственно, более низкую температуру по сравнению с поверхностными слоями. За счет разности влагосодержание поверхностных и внутренних слоев возникает градиент влагосодержания. Это приводит к процессам внутреннего тепло- и массообмена, при которых происходит перемещение влаги из внутренних, более влажных слоев, к поверхностным и оттуда уже происходит ее испарение. Благодаря наличию градиента влагосодержания происходит непрерывное уменьшение влажности во всем объеме высушиваемого продукта.

На перемещение влаги внутри продукта влияет также и термодиффузия, которая обусловлена перепадом температур. Под ее влиянием влага перемещается от участков с более высокой температурой к участкам с более низкой температурой. При низкотемпературной сушке термодиффузия не имеет существенного значения, но при высокотемпературной сушке она оказывает существенное влияние на процесс сушки. Так, например, при конвективной сушке явление термодиффузии препятствует перемещению влаги из внутренних слоев к поверхности, так как температура внутренних слоев (за счет более высокого влагосодержания) ниже. Поэтому в таких случаях рекомендуется применять осциллирующий режим сушки с поочередной подачей холодного и горячего воздуха. Это вызывает совпадение направления диффузии и термодиффузии влаги и процесс сушки ускоряется. При ускоренных методах сушки (при температурах выше 100 ⁰С) испарение влаги происходит равномерно по всему объему продукта, и влага внутри перемещается в виде пара. Это приводит к появлению градиента давления, так как скорость превращения воды в пар выше, чем скорость выхода его из продукта. За счет этого ускоряется перемещение влаги.

Процессы внутреннего и внешнего тепло- и массообмена между собой взаимосвязаны и приводят к изменению массы продукта в процессе сушки. По изменению массы продукта в процессе сушки нельзя сравнивать работу различных сушильных установок. Для этого пользуются графическим изображением изменения влагосодержания по времени (W-τ), которое называется кривой сушки. Кривая сушки представлена на рисунке 1.2.

Анализируя кривую сушки, можно выделить ряд участков. Участок АВ – период подогрева продукта. В этот период влагосодержание изменяется незначительно. Этот период можно выделить при низкотемпературных режимах сушки продуктов в высоком слое. Участок ВС – период постоянной скорости сушки. Он характеризуется постоянными скоростью снижения влагосодержания (за равные промежутки времени удаляется одинаковое количество влаги) и температурой материала. В этот период удаляется преимущественно свободная влага. Этот период продолжается до наступления критического влагосодержания (w_к). На кривой сушки этому моменту соответствует точка С. Критическое влагосодержание – граница между периодом постоянной (1-й период) и падающей (2-й период) скоростями сушки.

В периоде постоянной скорости сушки интенсивность процесса определяется только параметрами сушильного агента и не зависит от влагосодержания и физико-химических свойств продукта.

В периоде падающей скорости сушки (участок СД на кривой сушки) скорость сушки уменьшается по мере снижения влагосодержания продукта. Температура продукта увеличивается и к концу периода приближается к температуре сушильного агента. Процесс сушки продолжается до достижения равновесного влагосодержания, после этого удаления влаги прекращается. В этот период удаляется связанная влага, и постепенное снижение скорости сушки объясняется увеличением энергии связи влаги с материалом. В этот период процесс удаления влаги зависит от влагосодержания, характера связи влаги с материалом, физико-химический свойств материала и параметров сушильного агента.

По кривым сушки определяют скорость сушки в любой период времени. Скорость сушки определяется как тангенс угла наклона касательной, проведенной через данную точку кривой сушки, соответствующую определенному влагосодержанию материала.

tgσ = (1.9)

Максимальная скорость в период постоянной скорости сушки определяется по формуле 1.10.

tgσ_макс.. = ()_макс. = N (%/ч или %/мин) (1.10)

К концу процесса при равновесной влажности скорость сушки равна 0.

Процесс сушки можно охарактеризовать по методу приведенной скорости сушки. На основании этого метода можно определить продолжительность сушки. Приведенная скорость сушки – отношение скорости сушки при данном влагосодержании материала к максимальной скорости первого периода. Она определяется по уравнению 1.11.

Ψ = : ()_макс. = (1.11)

Значения приведенной скорости сушки изменяются от 0 до 1. Для периода постоянной скорости сушки при w ≥ w_к; ψ = 1, а в конце сушки при достижении равновесного влагосодержания w=w_к; ψ = 0.

Метод приведенной скорости сушки позволяет исключить влияние параметров сушильного агента на интенсивность процесса сушки. Зависимость метода приведенной скорости сушки только от физико-химических свойств материала и вида связи с материалом позволяет использовать уравнение продолжительности сушки в расчетах сушильных установок любой производительности. На основании уравнения 1.11 путем интегрирования от начального влагосодержания до критического определяют продолжительность процесса сушки.

Продолжительность сушки τ (мин) определяется по уравнению 1.12.

τ = (1.12)

Показатель степени m является постоянной величиной для данного материала, не зависит от формы и размера частиц, влагосодержания, способа и параметров процесса сушки. Он характеризует вид связи влаги с материалом, физико-химические свойства материала. Поэтому при испарении свободной влаги в периоде постоянной скорости сушки m=0. Установлены 4 значения показателя m для пищевых материалов:

m = 0,5 - для хурмы, клубники, укропа, томатов, перца.

m = 1 - для картофеля, моркови, свеклы, петрушки, лука, сельдерея, капусты, зеленого горошка, абрикосов, яблок, груш, винограда.

m = 2 – для всех видов круп после гидротермической обработки и гороха.

При известных значениях показателя степени m уравнение 1.12 имеет следующий вид.

При m = 0,5:

τ = (1.13)

При m=1:

τ = (1.14)

При m=2:

τ= (1.15)

где: W₁, W_k, W₂, W_р – влагосодержание материала начальное, критическое, конечное и равновесное, %;

А и β – массообменные коэффициенты, определяющие перемещение влаги внутри материала. Величины этих коэффициентов зависят от размера и формы частиц (т.е. длины пути перемещения влаги внутри частицы), а также от фазового состояния перемещаемой влаги (т.е. от температуры и потенциала сушильного агента). Величина коэффициента А с повышением температуры сушки уменьшается. Величина коэффициента β для одного и того же материала может иметь либо положительное, либо отрицательное значение в зависимости от фазового состояния перемещаемой влаги.

Коэффициенты А и β можно рассчитать по уравнениями 1.16 и 1.17.

А = с – dE_ср. (1.16)

β =еЕ_ср. – f (1.17)

где: Е_ср. – среднеинтегральное значение потенциала сушки воздуха, определяется по формуле 1.18.

Е_ср.= (t^с – t^м)_ср. (1.18)

где: t^c и t^м – температура воздуха, измеренная сухим и мокрым термометром, ⁰С.

с, d, e, f - постоянные коэффициенты, зависящие от вида материала, формы и размера частиц. Значения этих коэффициентов приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 – Значения коэффициентов с, d, e, f

Наименование материала	Размер частиц, мм	Значения коэффициентов
с	d	e	f
Абрикосы	15х15х15		1,35	0,0293	2,40
Айва	15х15х15		5,20	0,0282	2,00
Баклажаны	12х12х12		38,50	0,0430	4,73
Груши	15х15х15		3,77	0,0227	1,75
Зеленый горошек	-		7,85	-	-
Кабачки	8х8х8		27,8	-	-
Кабачки	12х12х12		15,6	-	-
Кабачки	15х15х15		17,6	-	-
Картофель	8х8х8		4,83	0,0191	2,20
Лук	D=3		0,265	0,0012	-0,82
Морковь	10х10х10		0,528	0,00112	-0,842
Пастернак	12х12х12		6,6	-	-
Хурма	10х10х10		4,1	0,306	30,50
Хурма	20х20х20		2,28	0,127	16,55
Цикорий	8х8х8		9,9	-	-
Цикорий	10х10х10		10,0	-	-
Цикорий	15х15х15		10,8	-	-
Яблоки	15х15х15		5,0	0,0575	-2,5
Крупа гречневая	-		11,5	-0,042	1,4
Крупа перловая	-		10,65	-	-
Крупа рисовая	-		7,4	-0,002	0,85
Крупа пшенная	-		12,7	-0,0023	1,6
Крупа пшеничная	-		9,0	-0,004	1,6
Горох	-		23,0	0,0303	2,9

 

Скорость постоянного периода сушки определяется либо по кривой сушки (формула 1.9), либо по уравнению 1.19.

N = a + bE_ср.υρ(F/M_c) (1.19)

где: а и b – постоянные коэффициенты, определяемые видом материала, формой и размером частиц (их значения приведены в таблице 1.5);

υρ- массовая скорость воздуха, кг/(м²*с). При сушке в неподвижном слое следует массовую скорость подставить в виде выражения: ;

F/M_c – величина, обратная удельной нагрузке материала, м²/кг.

Критическое влагосодержание определяется по уравнению 1.20:

W_к = k – lЕ_ср. (1.20)

где: k и l – коэффициенты, зависящие от вида материала, формы и размера частиц (их значения приведены в таблице 1.6).

Если сушка происходит в кипящем слое, то значение критического влагосодержания не зависит от величины массовой скорости воздуха и удельной нагрузки материала.

Значения равновесного влагосодержания W_р следует принимать в зависимости от температуры сушильного агента.

При температуре 100 ⁰С и выше равновесное влагосодержание равно 0.

При температуре 90 ⁰С равновесное влагосодержание равно 1.

При температуре 80 ⁰С равновесное влагосодержание равно 3.

При температуре 60-70 ⁰С равновесное влагосодержание равно 5.

Полученные зависимости позволяют быстро и достаточно точно определить продолжительность сушки пищевых продуктов.

Таблица 1.5 – Значения коэффициентов а и b

Наименование материала	Размер частиц, мм	Значения коэффициентов
а	b
Абрикосы	15х15х15	4,6	1,27
Айва	15х15х15	8,8	2,00
Баклажаны	12х12х12	40,0	1,44
Груши	15х15х15		1,42
Зеленый горошек	-	7,3	0,73
Кабачки	8х8х8	100,0	0,94
Капуста	D=3	20,0	15,40
Картофель	8х8х8	5,4	0,54
Картофель	12х12х12	2,0	0,905
Картофель	15х15х15	11,0	0,36
Лук	D=3	22,0	0,90
Морковь	10х10х10	12,4	0,454
Свекла	10х10х10		0,799
Хурма	10х10х10	6,7	0,306
Хурма	20х20х20	8,2	0,174
Цикорий	8х8х8	4,6	0,836
Цикорий	10х10х10	9,5	0,35
Цикорий	15х15х15		0,58
Цикорий	20х20х20		0,497
Крупа гречневая	-		0,5
Крупа перловая	-		0,308
Крупа рисовая	-		0,46
Крупа пшенная	-		0,69
Крупа пшеничная	-		0,76
Крупа кукурузная	-		1,265
Горох	-		0,192

Таблица 1.6 – Значения коэффициентов k и l

Наименование материала	Размер частиц, мм	Значения коэффициентов
k	l
Абрикосы	15х15х15		6,25
Груши	15х15х15		0,78
Зеленый горошек	-		1,16
Кабачки	8х8х8		10,0
Капуста	D=3		7,6
Картофель	8х8х8		1,1
Картофель	10х10х10		1,08
Лук	D=3		2,7
Морковь	12х12х12		4,1
Свекла	15х15х15		6,5
Хурма	10х10х10		6,25
Хурма	20х20х20		5,0
Цикорий	8х8х8		2,55
Цикорий	10х10х10		1,33
Цикорий	15х15х15		1,75
Яблоки	15х15х15		1,23
Крупа гречневая	-		0,9
Крупа перловая	-		1,58
Крупа рисовая	-		0,17
Крупа пшенная	-		0,3
Крупа пшеничная	-		0,2
Крупа кукурузная	-		0,92

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: