Введение

Наиболее распространенным методом, применяемым для получения мелкодисперсной пищевой продукции, является воздушная сушка. Процесс сушки пищевого сырья с получением высококачественных порошков осуществляется распылительными сушилками с прямоточным, противоточным и смешанным движением сушильного агента - воздуха.

Современная тенденция развития сушильной технологии - обеспечение максимальной интенсификации процессов распылительной сушки при одновременном улучшении качества высушиваемого материала.

Недостатки существующих распылительных сушилок - большие габаритные размеры и значительные энергозатраты, ограниченная возможность оперативного влияния на протекание процесса сушки, низкая пищевая ценность получаемых продуктов. Устранение этих недостатков требует разработки и внедрения оборудования на базе новых принципов с автоматизированным управлением технологическими процессами.

Приоритетным направлением исследований в области получения высококачественных молочных порошков и сохранения их пищевой ценности является применение щадящих технологических процессов, использование в аппаратах нескольких потоков сушильного агента.

В связи с вышесказанным, является целесообразным методологическое обоснование с разработкой соответствующего математического аппарата и создание распылительных сушильных установок с организованными аэродинамическими потоками сушильного агента и систем управления ими.

Состояние вопроса

Состояние изученности процесса распылительной сушки

С целью удлинения сроков хранения продуктов используются различные технологические приемы, условно объединенные в группу "консервирования". Наиболее часто для «консервирования» растворов и суспензий используют сушку - термический процесс удаления из твердых материалов или растворов содержащейся в них влаги путем ее испарения. Этим сушка отличается от других методов удаления влаги, например путем поглощения, ее химическими реагентами или механического отделения. Основной задачей сушки является увеличение сроков хранения готового продукта, снижение объема.

В пищевой, химической и других отраслях промышленности сушка - одна из сложнейших стадий процесса производства, от которой зависит качество готового продукта.

Изделия или материалы приходится сушить в зависимости от их назначений для разных целей. Ряд материалов подвергается сушке для уменьшения их веса и тем самым удешевления транспортировки, изменения физических свойств (например, уменьшения теплопроводности). Для придания материалам тех или иных качеств используют различные технологии и способы сушки: конвективная, радиационная, сублимационная, токами высокой частоты и другие [25,73,103]. В настоящее время мелкодисперсные пищевые продукты получают путем конвективной сушки. По разработке данного способа выполнено большое количество научно-исследовательских и экспериментально-конструкторских работ [52-56, 59, 103, 215-220, 247].

Теория сушки создавалась на базе фундаментальных аналитических и экспериментальных исследований. Современные исследования различных процессов, в том числе таких, как сушка, выпечка, увлажнение, производятся двумя методами: молекулярно-кинетическим и термодинамическим. Первый метод позволил разработать стройную теорию тепло- и массопереноса во влажных коллоидных капиллярнопористых телах при наличии и образовании в них фазовых превращений. Эта теория вскрывает молекулярную природу и механизм явлений, обусловливающие кинетику их протекания.

Второй метод основан на известных законах классической термодинамики; при помощи этого метода изучаются конечные энергетические действия движущих сил, а молекулярная структура вещества и механизм процесса по существу не рассматриваются.

Развитие теории сушки происходило одновременно с созданием термодинамики необратимых (неравновесных) процессов.

Термодинамику необратимых процессов считают теплофизической основой теории сушки [98]: она позволяет дать математическое описание процессов тепло- и массопереноса и рассматривать их «с точки зрения локального равновесия достаточно малых элементов системы», т. е. дает возможность увязать классический термодинамический метод с кинетикой явлений. В термодинамике необратимых процессов неравновесность системы характеризуется скоростью изменения энтропии во времени. Однако ограничить исследование процессов переноса применением термодинамического метода нельзя, - необходимо глубокое проникновение в сущность свойств микроскопических частиц и в механизм их взаимодействия, обусловливающий характер протекающих явлений.

Кинетику процесса сушки рассматривали русские ученые Коссо-вичем П.С. и Лыковым А.В. применительно к испарению влаги из почвы. Так же вопросами сушки занимались Кавказов Ю.Л., Филоненко Г.К., Федоров И.М., Калясевым Ф.Е., Миниовичем Я.М. и др. [67, 107, 129, 249], Льюисом У.К.и Шервудом Т.К. был применен аппарат классической теории диффузии для описания переноса влаги внутри материала в процессе сушки. Шервудом Т.К. была выдвинута гипотеза углубления поверхности испарения внутрь материала в процессе сушки.

Исследованиями удаления влаги из диспергированных материалов занимались Гинзбург А.С., Дущенко В.П., Казанский М.Ф. и др. [3, 6, 37, 145-154, 239].

Механизм сушки влажных материалов определяется в основном формой связи влаги с материалом и режимом сушки. В основу классификации формы связи влаги с материалом в настоящее время принята схема, предложенная Ребиндером П. А. [54-55, 82, 98-104]. Согласно этой схеме различают:

  • а) химическую связь (связь в точных количественных соотношениях);
  • б) физико-химическую связь (связь в различных, не строго определенных соотношениях);
  • в) механическую связь (удержание воды в неопределенных соотношениях).

Физико-химическая связь делится на адсорбционную, осмотическую и структурную влагу. Механическая связь это связь в макрокапиллярах и микрокапиллярах. При сушке удаляется влага, связанная с материалом механически и физико-химически. Химически связанная влага не удаляется, поскольку это приводит к разрушению материала. [49, 59, 70, 100, 246, 256].

Для удаления влаги из жидких продуктов предпочтительно используется сушка. Сушка - это сложный технологический тепло-, массообменный процесс, который во многих производствах должен обеспечивать не только сохранение нативных свойств материала, но и улучшение этих свойств. При получении порошков заданного качества из жидких продуктов оптимальным способом является сушка распылением.

Процессы распылительной сушки исследовали Абрамовича Г.Н., Белопольского М.С., Малышева Р.М., Космодемьянского Ю.В., Лыкова М.В., Харитонова В.Д., Фокина А.П., Никитина В.Г., Дытнерского Ю.И. , Плановского А.Н., Муштаева В.И., Ульянова В.М., Сажина Б.С., а так же Пажи Д.Г, Гаувина У., Глукера Ф., Маршалла У., Шлюдера Э. - за рубежом [25, 67, 70, 73, 106-128, 130-131, 145, 167, 235-248].

На сегодняшний день практической задачей распылительной сушки является научное обоснование процесса обезвоживания материалов с четкими требованиями к конечному продукту. Развитие техники и технологии сушки стремится к интенсификации влагоотдачи, гарантированному получению высококачественного готового продукта.

Рост эффективности с точки зрения экономики и повышения работоспособности аппаратов Дытнерский Ю.И. предложил следующие пути: увеличение температуры сушильного агента, в условиях автоматизации и регулировки температуры, применение больших скоростей, пульсирующих газовых потоков и вибрации частиц материала, закрученных высокоскоростных потоков, применение электрических и магнитных полей, применение перегретых паров испаряемой из материала жидкости, применение комбинированных способов сушки и совмещение различных процессов в одном аппарате, использование вторичных энергетических и тепловых ресурсов [54, 55].

Однако существуют трудности при использовании вышеперечисленных приемов, так как для большинства продуктов высушиваемых данным способом важно качество готового продукта, например при сушке термолабильных материалов высокая температура теплоносителя приведет к снижения пищевой ценности готового продукта. Прямая интенсификация процесса сушки ведет к потере части материала из-за деформации и, соответственно, разрушения частиц в аппарате и уноса их агентом, к выходу готового продукта, не соответствующего требованиям стандарта [42].

Для молочной промышленности имеет большое значение интенсификация процесса сушки путем изменения температуры сушильного агента Левераш В.И. и др. [49, 86, 87] приводят данные, из которых следует, что при увеличении температуры сушильного агента от 160 °C до 240 °C позволяет удельный расход теплоты на процесс распылительной сушки сократить на 29 %, а количество электроэнергии на 54 % [49, 92, 108-110, 176].

Рэшенеску И. [НО] дает рисунок 1.1 зависимости удельного расхода теплоты на килограмм испаренной влаги от температуры сушильного агента.

Из графика видно, что при повышении температуры воздуха со 130 °C до 190 °C расход теплоты сокращается на 66 %. Однако дальнейшее повышение температуры не ведет к значительному сокращению удельного расхода теплоты. Дальнейшее повышение температуры воздуха до 250 °C т.е. так же на 60 °C позволяет снизить удельный расход теплоты лишь на 11 %.

Зависимость удельного расхода теплоты от температуры сушильного агента

Рисунок 1.1- Зависимость удельного расхода теплоты от температуры сушильного агента

В то же время такое повышение температуры отрицательно сказывается на физическом и химическом составе готового продукта [49, 97, НО, 241-249]. Козловский О.В. [77] приводит данные, о том что при увеличении температуры теплоносителя до 200 °C изменяет диаметр и уменьшает плотности частиц, что ведет к снижению растворимости готового продукта. Это связано с частичной денатурацией белка в результате термического воздействия.

В результате воздействия высоких температур на молоко происходят изменения в химическом составе молочного жира, витаминов и белков. Это заключается в следующем:

  • - для молочного жира увеличение температуры агента приводит к увеличению на 2-3 % свободного жира, а так как окисленность свободного поверхностного жира в 5-8 раз больше связанного жира внутри частицы, приводит к снижению срока хранение, в тоже время свободный жир препятствует смачиванию порошка при восстановлении, а это снижает скорость растворения продукта. При нагревании молочного жира возможно образование перекисей, карбонильных соединений и свободных жирных кислот [47-49]. Все вышесказанное ведет к снижению качества готового продукта;
  • - происходит частичная кристаллизация лактозы. В результате чего структура сухого молоко существенно изменяется. Кристаллизация лактозы вызывает в частицах развитые системы микрокапиляров и трещин, способствующих проникновению внутрь жидкостей и газов [49];
  • - взаимодействие перегретой лактозы с аминогруппами казеина дает реакцию Майера, т.е. приводит к образованию комплексов окрашенных веществ (побурение продукта);
  • - под воздействием высоких температур изменяется дисперсность белковых мицелл, выраженную в изменении величины и формы белковых частиц, это оказывает влияние на растворимость сухого продукта, ведет к денатурации белка [11, 75]. В результате денатурации происходит образование ангидридов, потеря гидрофильных и приобретение гидрофобных свойств, вследствие внутренней перегруппировки атомов и нарушении структуры белка;
  • - повышение теплового воздействия может привести к полной коагуляции белков молока. В этом случае различают три механизма тепловой коагуляции молока. Первый - сывороточные белки связывают соприкасающиеся казеиновые мицеллы, второй - казеиновые мицеллы, поврежденные тепловой обработкой, соединяются в форме цепочек, третий - образование геля из сывороточных белков с вкрапленными в него казеиновыми мицеллами [3, 27-33, 49];
  • - наиболее выраженное воздействие температура сушильного агента оказывает на витамины А, С, РР, Н.

В результате анализа научно-технических трудов выявлено, что на чувствительные к температурному воздействию компоненты оказывает наибольшее влияние сама температура и длительность ее воздействия. При этом большинство ученых полагает, критерием термостойкости является максимально возможная температура нагрева материала в процессе сушки [3, 26, 49, 57].

По результатам исследования влияния температуры сушки на качество сухого молока был построен график, представленный на рисунке 1.2.

  • 1 - нерастворимый осадок, 2 - содержание свободного жира,
  • 3 - влажность молочного порошка, 4 - плотность молочного порошка

Рисунок 1.2 - Влияние температуры сушильного агента при распылительной сушке на свойства сухого молока.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что выбор температурного режима высушивания для различных продуктов базируется на изучении физико-химических и биофизических свойствах объектов сушки, а так же на понимании процесса влияния температуры на качество готового продукта.

Интенсификация процесса распылительной сушки путем изменения скорости воздуха в сушильной башне, скорости между сушильным агентом и распыленным продуктом, ведет к созданию принципиально нового оборудования для распылительной сушки [15-19, 207, 251]. Существуют сушильные аппараты со встречными потоками газа, так же используются центробежные силы, возникающие при движении газо-взвеси по криволинейному пути. Анализируя литературные данные, можно сказать, что технология и техника сушки продуктов в мелкодисперсном состоянии развивается по пути перехода от сушки в плотных слоях, к обработке отдельных частиц во взвешенном слое.

Задачей интенсификации распылительной сушки на сегодняшний день является совершенствование способа перемещения и перемешивания продукта с сушильным агентом, определение оптимальных температуры газа и его скорости, размера частиц.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >