Вымораживанием высушивают некоторые пищевые продукты. Например, фруктовые и овощные соки, мясо, молоко, рыбу, чайный экстракт, а также медицинские препараты, например, плазму и сыворотку крови, бактериальные и вирусные культуры и вакцины, антибиотики, гормоны, аминокислоты, витамины, гистологические и цитологические препараты.
Основные преимущества сушки вымораживанием заключаются в том, что этот процесс позволяет:
1.Избежать химических изменений компонентов в условиях низких температур.
2.Свести к минимуму потери летучих компонентов.
3.Высушить продукты без вспенивания.
4.Сохранить дисперсность составных частей высушиваемого материала.
5.Свести к минимуму коагулирование составных частей.
6.Исключить агломерацию (спекание, объединение) частиц.
7.Поддерживать стерильность продукта.
8.Свести к минимуму или исключить окисление продукта.
2.9.2.Теоретические основы сушки
Сушка вымораживанием представляет собой особый случай сублимации, когда вода, находящаяся в замороженном (твердом) состоянии, сублимируется и удаляется из материала непосредственно в виде пара, минуя жидкую фазу.
Сушку необходимо проводить в условиях глубокого вакуума, так как давление насыщенного пара над поверхностью льда значительно ниже атмосферного.
Если бы вода находилось в материале в чистом состоянии, то высушивать его вымораживанием можно было бы при температуре близкой к 00С и давлении 4,6 мм рт. ст. Обычно вода в материале находится либо в виде раствора (эвтектической смеси), либо в связанном состоянии.
Чтобы вода все время оставалась в твердой фазе, материал нужно охлаждать ниже 00С. Обычно на практике в большинстве случаев поддерживают температуру от –10 до -400С и остаточное давление от 2 до 0,1 мм рт. ст. (табл. 2.2).
Таблица 2.2
Давление насыщенного пара и теплота сублимации льда
Температура |
Давление пара |
Теплота суб- |
|
0С |
|
|
лимации |
мм рт. ст. |
Н/м2(Па) |
||
|
|
|
rсуб 10-3дж/кг |
0 |
4,579 |
610,38 |
2835 |
-10 |
1,950 |
259,94 |
2812 |
-20 |
0,776 |
103,44 |
2789 |
-30 |
0,286 |
38,12 |
2770 |
-40 |
0,097 |
12,93 |
2759 |
В процессе сушки можно выделить два основных периода: период постоянной скорости сушки и период падающей скорости (рис. 2.28).
А
Период постоянной скорости сушки
масса
0
Период падающей скорости сушки
время τ
Рис. 2.28. Кривая сушки вымораживанием
В первом периоде сушки лед сублимируется со скоростью, зависящей от количества поступающего тепла и тепла поглощаемого в процессе сублимации.
Скорость сублимации dW/dτ выражается следующим уравнением:
dW = Q |
= KF t |
,кг/с, |
(2.188) |
|
dτ |
r |
r |
|
|
|
0 |
0 |
|
|
где Q – тепловая нагрузка, Вт;
r0 – теплота сублимации, дж/кг;
К – общий коэффициент теплопередачи, 2Вт .
м град
F – поверхность теплопередачи, м2;
t – разность температур между источником тепла и льдом, град. Скорость поглощения тепла пропорциональна поверхности теплопередачи
и разности температур между источником тепла и льдом. Величина К зависит от способа передачи тепла. Если в процессе сушки обеспечен хороший контакт между материалом и поверхностью теплопередачи, то кинетика переноса будет определяться механизмом теплопроводности.
При плохом контакте передача тепла будет осуществляться, главным образом, радиацией. Этот способ является основным при применении специальных источников лучистой энергии. Коэффициент теплопередачи
колеблется в пределах 3-11 |
Вт |
, когда в кинетике теплопередачи |
|
||
|
м2 град |
|
преобладает теплопроводность.
При радиации величину К можно рассчитать, пользуясь значениями комбинированного коэффициента излучения.
Поверхность теплопередачи зависит от конструкции аппарата.
Разность температур определяется между греющей средой и льдом. Максимальная температура греющей среды не должна быть выше предела, при котором начинается подтаивание льда в высушиваемом материале.
При мягких режимах сушки влажные материалы толщиной до 30 мм в периоде постоянной скорости (при температуре от –10 до -200С) высушиваются на глубину 1 мм за один час.
Тонкие слои такого материала обычно высушиваются быстрее в 2-4 раза. В трудно высушиваемых материалах интенсивность удаления влаги может
доходить до 0,2 мм за час.
Для многих материалов на удаление 95% содержащейся в ней влаги требуется всего 80% времени, необходимого для полной сушки в периоде постоянной скорости.
На удаление остальных 5% влаги затрачивается примерно 20% общего времени сушки.
На рис. 2.29 показана схема процесса сушки вымораживание.
Для замораживания обычно используются наружное охлаждение и самозамораживание, которое имеет место в условиях глубокого вакуума в результате интенсивного испарения воды.
Если из материала тепла уходит больше, чем поступает в него из окружающей среды, то происходит самозамораживание.
Источник |
Паровые линии |
Вакуум насос |
нагревания |
|
|
Вакуумная |
В атмосферу |
камера |
Источник |
Система для |
охлаждения |
удаления льда |
Рис. 2.21. Схема установки для сушки вымораживанием
В противном случае необходимо предварительное замораживание материала путем специального охлаждения в отдельном аппарате или в основном аппарате (вакуумной камере) с помощью хладагента, циркулирующего через рубашку или змеевик.
Для сублимации 1 кг льда требуется примерно 2790 кДж тепловой энергии
(табл. 2.2).
Для небольших тел иногда бывает достаточно теплоты окружающей среды.
В большинстве случаев нагрев производится с помощью внешних источников тепла, к числу которых относится горячая вода, циркулирующая через змеевик и рубашки, электрические нагревательные элементы, инфракрасные нагреватели.
Вакуумная камера должна отвечать следующим требованиям:
1.Высокая степень герметичности.
2.Обеспечивать постоянство режима сушки.