Теоретические основы сушки пищевых продуктов

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

Статика сушильного процесса изучает формы 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.

Влагосодержание 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:

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 форма 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 10~5 см. Для удаления микро капиллярной 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 с кривыми (точки А и В) дает соответственно значения равновесной влажности материала (Wm и Wn ) 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 влагопоглотителя 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 пр'и определенной температуре влагу, т. е. становится насыщенным. При дальнейшем поступлении влаги в воздух наблюдается явление конденсации пара. Момент начала такой конденсации — точка росы. Каждой температуре соответствует своя точка росы. Значение максимально возможного количества пара, содержащегося при данной. температуре в единице 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:

Потенциал сушки характеризует способность воздуха к поглощению влаги. При условии полного насыщения воздуха (у = 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 — влаго 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:
 

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 t°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 (попаренной 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 влагосодержание 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 постоянную 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 влагосодержания 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.