Значение массообменных процессов в технологии пищевых продуктов

Массообменные процессы в пищевых производствах. Наиболее часто встречающиеся процессы: экстрагирование и экстракция, абсорбция и адсорбция, перегонка, ректификация, растворение, кристаллизация, сушка. Массообменные процессы классифицируют по агрегатному состоянию и характеру взаимодействия фаз.

Основы массопередачи

В основе массопередачи лежит понятие равновесия фаз. Это равновесие, например концентрация растворенного вещества в двух взаимодействующих фазах, зависит от температуры и давления. Массоперенос начинается, когда концентрация вещества во взаимодействующих фазах отличается от равновесной.

Зная концентрацию компонента в фазах и условия равновесия, можно определить направление процесса. Состояние равновесия подчиняется правилу фаз Гиббса, оно гласит, что для равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов действуют только температура и давление, число степеней свободы С равно числу компонентов К минус число фаз Ф, плюс два:

С = К – Ф + 2

С – число степеней свободы – это число независимых переменных (температура, давление и концентрация вещества в фазах).

Если однокомпонентная система (К=1) состоит из двух фаз (Ф=2), находящихся в равновесии, то число степеней свободы С=1-2+2=1. Это значит, что для такой системы можно произвольно выбирать только один параметр. Например, для однокомпонентной двухфазной системы вода-пар от изменения давления изменяется количество воды, обращенной в пар, и температура смеси.

Законы массопередачи

Перенос массы осуществляется различными способами.

Первый закон Фика – закон молекулярной диффузии.

Известно, что молекулы в газах и жидких растворах находятся в непрерывном хаотическом движении. Благодаря чему происходит перенос вещества из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, который подчиняется первому закону Фика:

Количество диффундирующего вещества пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной к направлению диффузионного потока, через которую осуществляется перенос вещества, и времени

¶c

dM = - D ¾ dFdt , (2.6)

¶x

где D - коэффициент диффузии;

¶c /¶x - градиент концентрации в направлении диффузии;

dF - площадь поверхности, через которую диффундирует вещество;

dt - продолжительность диффузии.

Коэффициент диффузии показывает, какое количество вещества переходит через поверхность в 1 м² за 1 с при разности концентраций на расстоянии 1 м, равной единице.

Знак минус в уравнении (2.6) показывает, что перенос вещества осуществляется навстречу градиенту концентраций.

Коэффициент диффузии (D) зависит от агрегатного состояния систем, давления и температуры.

Коэффициенты молекулярной диффузии измеряются опытным путем, эти данные приводятся в справочниках.

Второй закон Фика – дифференциальное уравнение молекулярной диффузии. Аналогично дифференциальному уравнению теплопроводности Фурье уравнение молекулярной диффузии имеет вид:

¶c ¶²c ¶²c ¶²c

¾ = D ( ¾ + ¾ + ¾ ) , (2.7)

¶t ¶x² ¶у² ¶z²

или

¶c

¾ = DѲC (2.8)

¶t

Абсорбция

Процесс поглощения газов или паров жидкостью называют абсорбцией.

Для большинства случаев это процесс обратимый, т. е. в определенных условиях, например при нагревании, можно выделить газ из жидкости. Такой процесс называется десорбцией.

В пищевых производствах процессы абсорбции занимают значительное место. Например, в производстве спирта, в процессах насыщения минеральной воды и различных напитков диоксидом углерода называют сатурацией.

Адсорбция

Процесс поглощения одного или нескольких компонентов из смеси газов, паров или жидких растворов поверхностью твердого тела называют адсорбцией. Процесс избирателен. Поглощенное вещество может быть выделено из адсорбента. Этот процесс регенерации называют десорбцией.

В пищевой промышленности адсорбция применяется при очистке водно-спиртовых смесей в ликеро – водочном производстве, при очистке и стабилизации вин, соков и других напитков. В свеклосахарной промышленности адсорбцией обеспечивается основная очистка диффузионного сока в процессе его сатурации, а также обесцвечивание сахарных сиропов перед кристаллизацией.

Адсорбенты

Количество поглощаемого вещества зависит от площади поверхности поглотителя.

В пищевой промышленности применяют следующие адсорбенты:

- активированный уголь, его получают сухой перегонкой дерева с последующей активацией – прокаливанием при t = 900 ⁰C.

- силикагели, их получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами. Силикагели эффективно поглощают пары органических веществ, влагу из воздуха и газов.

- цеолиты - это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов I и II групп Периодической системы Д. И. Менделеева. В промышленности применяют синтетические цеолиты.

Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде , поэтому их используют для глубокой очистки газа и воздуха с незначительным содержанием влаги.

- иониты – природные и искусственные адсорбенты, действие их основано на химическом взаимодействии с очищаемыми растворами. Это процессы хемосорбции – адсорбции, сопровождаемой химическими реакциями. Так, в сахарорафинадном производстве с помощью ионообменных смол обесцвечивают сиропы, применяют их в производстве спирта-ректификата из спирта-сырца.

- естественные адсорбенты – мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин, их применяют для осветления вин.

Экстракция

Экстракция – процесс избирательного извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью жидкого растворителя – экстрагента.

В пищевой промышленности экстрагированию чаще подвергают сырье растительного происхождения, например семена масличных культур, сахарную свеклу, фрукты и т. п.

Различают 3 типа экстракции:

- простейший процесс можно осуществить, заполнив аппарат сырьем и жидким экстрагентом. Процесс закончится, когда концентрации сравняются;

- фильтрование экстрагента через неподвижный слой сырья;

- сырье и экстрагент непрерывно перемещаются в противотоке.

Расчет процесса экстрагирования выполняют, исходя из основного уравнения массопередачи

М = k_m DC F , (2.9)

где k_m – коэффициент массопередачи.

F – площадь поверхности, через которую перемещается вещество.

Сушка

Сушка – процесс удаления влаги из материалов при их подготовке к переработке, использованию или хранению.

Различают сушку конвективную (в потоке инертного газа), контактную (при соприкосновении с нагретой поверхностью), сублимационную ( в вакууме), высокочастотную ( диэлектрическим нагревом), радиационную (ИК – излучением).

Удаление влаги из материала может быть осуществлено разными способами – механическим – прессование или отжим в центрифугах. Так удаляется влага пор и капилляров тела, т. н. несвязанная влага. Для полного удаления влаги применяют тепловые способы сушки, основанные на превращении влаги материала в пар с последующим удалением этого пара.

Сублимационная сушка.Сырье растительного или животного происхождения замораживают в скороморозильных аппаратах. Замороженное сырье помещают в сублиматор, герметично закрывают и создают в нем остаточное давление 44,4 – 199,9 Па. В замороженном состоянии удаляется из продукта от 85 до 95% влаги, продукт нагревается максимально до 35 – 50⁰С. Сушат сырье до остаточной влажности не более 5% в течение 6 – 12ч.

Низкие температуры процесса и отсутствие контакта материала с кислородом воздуха позволяют получить продукты высокой пищевой ценности, в которых хорошо сохраняются витамины, красящие вещества, сахара, форма ,объем, цвет , аромат и вкус.

Виды связи влаги с материалом

Сырье и материалы, подвергаемые сушке в пищевой промышленности, можно разделить на 2 группы: твердые кристаллические тела – сахар, поваренная соль, лимонная кислота и т. п. и коллоидно-дисперсные системы, которые тоже А. В. Лыков предлагает разделить на 3 группы – эластичные гели, тела, которые при обезвоживании сжимаются, но сохраняют эластичность

( мучное тесто, пастила, зефир, мармелад). Вторая группа – хрупкие гели – тела, которые после сушки становятся хрупкими (керамика) и третью группу составляют коллоидные капиллярно- пористые тела: хлеб, зерно и т.п.

Различные тела неодинаково взаимодействуют с содержащейся в них влагой, по-разному ее связывают. Академик Ребиндер П.А. предложил классификацию форм связи влаги на основе энергии связи:

а) механическая – влага смачивания, содержится в капиллярах и макрокапиллярах. Эта форма связи наименее прочная, ее можно удалить прессованием, центрифугированием.

б) физико-химическая форма связи – адсорбционная, осмотическая влага, структурная. Эта влага в клетках и микрокапиллярах. Для ее удаления влагу превращают в пар, для этого необходимо затратить значительное количество теплоты.

в) химическая форма наиболее прочная. Это ионная связь (KOH) и вода в кристаллогидратах (CuSO₄×5H₂O). Эта связь может быть разрушена путем химического воздействия или прокаливанием.

Кинетика сушки