Процессы экстракции и ректификации

ПРОЦЕСС ЭКСТРАКЦИИ

Сущность и назначение процесса экстракции.В широком смысле экстракция представляет собой извлечение одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с по­мощью избирательных растворителей, называемых экстрагентами.

При экстракции из твердого тела имеются две фазы: жидкая и твердая. При экстракции из жидкости обе фазы жидкие. Со­вершенно очевидно, что экстракция возможна только при ус­ловии тесного контакта фаз между собой.

Экстракция из твердых тел имеет очень большое значение в производстве сахара, растительных масел, в витаминном про­изводстве и т. д. Экстракция из жидкостей находит применение при производстве молочной кислоты и других пищевых кислот из ферментированных растворов.

Процессы экстракции широко используются в общественном питании. Варка и жарка продуктов, как правило, всегда со­провождаются экстрагированием тех или иных веществ из про­дукта в воду или жир. Процессы экстракции происходят при приготовлении многих напитков. Так, приготовление чая и кофе – это типичный процесс экстрагирования из твердых ве­ществ (водой) компонентов, обусловливающих вкус и запах этих напитков. Экстракция имеет место при приготовлении бульонов и отваров.

Экстракция из жидких систем.Вобщем виде экстракцию из жидких систем можно представить следующим образом. До­пустим, в жидкости А растворен компонент В. Это означает, что имеется двухкомпонентный раствор А+В. Если к этому рас­твору добавить растворитель (экстрагент) Д, который не рас­творяется и не смешивается с жидкостью А, но хорошо раство­ряет в себе компонент В, то компонент В будет переходить в растворитель. Концентрация компонента В в жидкости А при этом будет уменьшаться. В реальных условиях компонент В не полностью перейдет в экстрагент Д, какая-то часть его остается в жидкости А. Таким образом, компонент В будет находиться в жидкости А и в экстрагенте Д.

Экстрагирование из твердых тел. Процесс экстрагирования из твердых тел можно расчленить на две стадии. Первая из них представляет собой диффузию экстрагируемого компонента из внутренних слоев продукта к наружным. Эта стадия называ­ется внутренней диффузией. Вторая стадия экстрагирования – это переход компонента от поверхности продукта в раствори­тель. Эта стадия называется внешней диффузией.

Рассмотрение процесса экстракции как двухстадийного по­зволяет сделать вывод о том, что продолжительность его осу­ществления определяется скоростью внутренней и внешней диффузии. Скорость внутренней диффузии можно значительно повысить за счет нагрева продукта до температуры, превышаю­щей температуру растворителя. Скорость внешней диффузии увеличивают путем создания интенсивного турбулентного дви­жения растворителя.

Эффективность процесса экстрагирования из твердого про­дукта обеспечивают следующие основные условия.

1. Правильный выбор типа растворителя. Растворитель дол­жен извлекать из продукта только нужный компонент без по­сторонних примесей. Экстрагент не должен вызывать коррозии аппаратуры. Особо важное требование заключается в том, чтобы растворитель полностью удалялся из экстрагируемого продукта, не оставляя вредных для организма соединений.

В пищевой промышленности в качестве экстрагентов ис­пользуют воду, бензин, этиловый спирт, ацетон, дихлорэтан. В условиях общественного питания в роли экстрагентов высту­пают вода, пищевые жиры.

2. Достижение необходимой степени измельчения продукта. Совершенно очевидно, что измельчение продукта приводит к увеличению поверхности контакта его с экстрагентом. При этом желательно, чтобы размер частиц был одинаковым.

3. Создание оптимальных температурных условий. Повыше­ние температуры продукта приводит к увеличению скорости внутренней диффузии, что интенсифицирует весь процесс экс­трагирования.

4. Создание нужного давления. Установлено, что повышение давления в системе приводит к увеличению выхода экстраги­руемых веществ. Использование повышенного давления при экстрагировании вызывает необходимость применять более сложную, герметически закрытую аппаратуру.

5. Достаточное количество растворителя. Увеличение коли­чества растворителя, безусловно, способствует более полному извлечению экстрагируемых веществ из продукта. Однако ис­пользуемое количество экстрагента должно быть оптимальным. Если его слишком много, то возможно экстрагирование приме­сей и, кроме того, концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте будет невысокой, что делает затруднительным из­влечение из него экстрагируемого компонента. Если же экстр­агента меньше оптимального количества, то экстрагируемый компонент не будет полностью извлечен, что ведет к нежелательным потерям ценного сырья.

6. Соблюдение оптимальной продолжительности процесса экстрагирования. При увеличении продолжительности процесса повышается выделение экстрагируемого компонента, но понижается производительность аппаратов. В целях сокращения продолжительности проведения экстрагирования прибегают к измельчению сырья, поддержанию требуемых температуры и давления и используют оптимальное количество экстрагента.

Экстракторы.В пищевой промышлен­ности и общественном питании исполь­зуют экстракторы самых различных кон­струкций. Однако для ознакомления с принципом их действия достаточно ог­раничиться рассмотрением экстракторов лишь некоторых типов. Так, на рис. 51 представлена схема двухкорпусного эк­страктора для выделения сахарозы из стружки сахарной свеклы. Вода входит в первый подогреватель, из него она про­ходит через слой стружки сахарной свеклы, расположенной в первом корпусе экстрактора. При этом происходит экст­рагирование сахарозы. Далее раствор са­харозы поступает во второй подогреватель, где его температура повышается. Затем раствор поступает во второй корпус экст­рактора. Из него концентрированный сироп отводится на даль­нейшую переработку.

Рис. 51. Схема двухкорпусного экстракта для выделения сахарозы:

1, 3 – подогреватели; 2, 4 – экстракторы;

5 – патру­бок для выхода сахарного сиропа; 6 – патрубок для входа воды

Для приготовления кофе применяют различного рода кофе­варки, работающие на адсорбционном, перколяционном (фон­танирующем) и фильтрационном принципах. Схема кофеварки фонтанирующего типа приведена на рис. 52. Кипяток из кипя­тильника по фонтанирующей трубке поступает вверх. От отра­жателя он попадает на слой кофе, расположенного на сетке. Готовый кофе отводится через патрубок.

Экстракция в общественном питании.В общественном пи­тании процессы экстракции используются для получения кон­центрированных растворов экстрагируемых веществ. Кроме того, она сопутствует процессам варки и жарки и некоторым другим.

Если при приготовлении пищи используется направленный процесс экстракции, то его надо осуществлять при соответствующих режимах. К таким процессам относятся приготовле­ние бульонов на мясной или рыбной основе, чая, кофе.

Мясные бульоны готовят из мяса, мясокостного сырья икости. При варке этого сырья из него экстрагируются многие вещества, которые называются экстрактивными. В бульоны пе­реходят также минеральные вещества, белки и жиры. К экс­трактивным веществам относятся многие азотистые и безазо­тистые аромато- и вкусообразующие вещества. В целях более полного экстрагирования веществ варку необходимо проводить с учетом тех факторов, которые обусловливают эффективную экстракцию. Это прежде всего про­должительность, которая должна быть такой, чтобы обеспечить пол­ный переход экстрактивных веществ. При приготовлении бульонов из мясокостного сырья оно должно быть предварительно измельчено на куски размером 5-6 см.

Рис. 52. Схема фонтанирующей кофеварки:

1 – кипятильник; 2 – патру­бок для выхода кофе; 3 – корпус аппарата;

4 – сетка для кофе; 5 – отражатель; 6 – фонтанирующая трубка;

7 – электронагреватель; 6 – патрубок для подачи воды

Процессы экстрагирования яв­ляются основными при приготовлении чая и кофе. Ценность этих на­питков заключается именно в экс­трактивных веществах, которые переходят в воду. Для получения вы­сококачественного чая необходимо тщательно следить за качеством во­ды, она не должна быть жесткой и не содержать много железа. Заваривают чай крутым кипятком. Кипячение заваренного чая недопустимо, так как вместе с парами улетучиваются ценные компоненты.

При приготовлении кофе для эффективного экстрагирования из него ценных компонентов он должен быть предварительно измельчен. Установлено, что ко­личество экстрактивных веществ, переходящих в воду, увеличи­вается почти в 1,5 раза при использовании кофе, измельченного до 200 мкм (размер частицы), по сравнению с кофе, частицы которого имеют размер 800 мкм.

Процесс экстрагирования имеет большое значение при ис­пользовании различных пряных веществ, добавляемых при варке и жарке мясных, рыбных, овощных продуктов, при при­готовлении соусов и приправ. Вкусовые и ароматические веще­ства из пряностей экстрагируются в бульон или отвар. В усло­виях индустриализации общественного питания за последнее время все более широкое распространение получает применение готовых экстрактов, полученных из пряностей.

В результате процесса экстрагирования происходит окраши­вание воды при варке различных овощей, фруктов и ягод. Это свойство используется при производстве пищевых красителей из растительного сырья.

Как уже указывалось, при приготовлении пищи путем ее варки или жарки происходит самопроизвольное экстрагирова­ние ценных компонентов. Чтобы свести его к минимуму, необхо­димо правильно подобрать технологические режимы кулинар­ной обработки продуктов. Прежде всего нельзя оставлять про­дукт, достигший кулинарной готовности, в бульоне или жире при повышенной температуре. Это относится прежде всего к приготовлению отварных мяса и рыбы, а также некоторых видов овощей и плодов.

РЕКТИФИКАЦИЯ

Сущность процесса и виды ректификации.Ректификацию часто называют перегонкой, дистилляцией. Ректификация пред­ставляет собой процесс, при котором происходит испарение ле­тучего компонента с последующей конденсацией его паров. Следовательно, перегонка основана на различной летучести ком­понентов смеси при одной и той же температуре.

Конденсат летучего компонента называют дистиллятом или ректификатом, а оставшиеся после перегонки компоненты – остатком.

Существуют два вида перегонки: простая перегонка (ди­стилляция) и ректификация.

Простая перегонка представляет собой процесс однократ­ного частичного испарения жидкой смеси и конденсации обра­зующихся паров. Ректификация – это процесс разделения мно­гокомпонентных гомогенных смесей летучих жидкостей путем многократного испарения и конденсации. Ректификация ши­роко применяется в спиртовой промышленности и в производ­стве эфирных масел. Простая перегонка в самом элементарном виде – получение дистиллированной воды. Процессы перегонки широко используют в общественном питании для анализа со­става, качества сырья, материалов и готовой кулинарной про­дукции.

Аппараты для проведения дистилляции.Схема простейшего аппарата, предназначенного для дистилляции жидкостных си­стем, приведена на рис. 53.

Рис. 53. Схема аппарата для дистилляции:

1 – патрубок для выхода конден­сата из змеевика; 2 – патрубок для входа

греющего пара в зме­евик; 3 – патрубок для подачи жидкой смеси; 4 –корпус аппарата; 5 – патрубок для отвода паров легколетучего компонента;

6 –патрубок для выхода воды; 7 –корпус конденсатора;

8 – патру­бок для выхода дистиллята; 9 – патрубок для входа воды

За счет змеевикового нагревателя смесь в аппарате закипает. Образовавшиеся пары легколету­чего компонента поступают в конденсатор, из которого отво­дится готовый дистиллят.

В пищевой промышленности и общественном питании нашли применение дезодораторы – аппараты для перегонки, предна­значенные для очистки (дезодорации) растительных масел и животных жиров. В них осуществляют перегонку с водяным паром. Высококипящие альдегиды и кетоны, придающие непри­ятный запах жирам, отгоняются водяным паром. Суть процесса заключается в следующем (рис. 54). В жир барботирует пар, который увлекает вместе с собой нежелательные компоненты. Далее пар вместе с газообразными альдегидами и кетонами направляется в конденсатор, где происходит их конденсация. Отгонный компонент, называемый одором, поступает в сборник.

Рис. 54. Схема дезодоратора:

1 – рубашка; 2 – патрубок для входа пара; 3 – корпус аппарата; 4 – патрубок для входа барботирующего пара; 5 – патрубок для выхода летучих фракций;

6 – па­трубок для выхода воды; 7 – па­трубок для входа летучих фрак­ций;

8 – конденсатор; 9 – патру­бок для входа воды; 10 – патру­бок для выхода

остатка (одора); 11 – патрубок для входа остатка (одора); 12 –сборник одора

СУШКА

Сущность процесса и его назначение.Сушка представляет собой тепломассообменный процесс, предназначенный для обез­воживания различных материалов и продуктов.

Процесс сушки осуществляется за счет подвода теплоты к высушиваемому продукту. В результате теплового воздейст­вия на продукт происходит испарение влаги. Сушке в пищевой промышленности и общественном питании подвергают твердые, пастообразные и жидкие продукты. Сушат зерно, овощи, фрукты, хлеб, мясо, соки, молоко, бульоны, яйца и другие про­дукты.

Назначение сушки продуктов различное. В одних случаях сушка необходима для того, чтобы продукт можно было под­вергнуть дальнейшей переработке, в других случаях сушка не­обходима для хранения и эффективного транспортирования продуктов, в третьих – для получения качественно новых продуктов, имеющих более широкую область использования, чем исходное сырье.

Так, без предварительной сушки невозможно хранить зерно и получить из него муку. Сушка применяется при производстве сахара и крахмала. В целях эффективного хранения и эконо­мичности транспортирования сушат, например, такие продукты, как молоко, бульон, соки, различные овощи и плоды. Доста­точно наглядным примером применения сушки сырья с целью получения нового продукта, имеющего более широкую область использования, является производство сухого молока, сухой крови, сухой сыворотки, различных сухих молочно-растительных продуктов.

Процесс сушки про­дукта состоит из трех этапов: перемещение влаги внутри высу­шиваемого объекта по направлению к его поверхности; парообразование; перемещение пара от поверхности материала в окружающую среду.

В начале процесса, т. е. в период, когда ведется подогрев продукта, удаляется лишь не­значительная часть влаги. Затем начинается так называемый период постоянной скорости сушки. В этот период происходит удале­ние свободной влаги, при этом давление пара под материалом равно давлению пара чистой жидкости, испаряющейся при тех же условиях. Количество влаги, поступающей из внутренних слоев, полностью преобразуется в пар и удаляется с поверх­ности материала. В дальнейшем скорость сушки падает, к поверхности материала поступает меньше влаги, чем могло бы с нее испариться.

Существенное влияние на процесс сушки оказы­вают свойства, состав, раз­меры и форма высушивае­мого продукта. Количество теплоты, подведенной к про­дукту, также оказывает влияние на эффективность сушки.

Способы и виды сушки.Сушку, применяемую в пищевой промышленности, общественном питании и других отраслях на­родного хозяйства, можно подразделить на два основных вида: естественную и искусственную. Естественная сушка осу­ществляется в атмосфере окружающего воздуха без дополнительного подвода теплоты. Искусственная сушка осуществля­ется в специальных сушильных установках, обеспечивающих интенсивное удаление влаги из продукта. Естественной сушке подвергаются зерно, овощи, плоды и прочее растительное сырье. Она находит применение при вялении рыбы и морепродуктов.

Искусственная сушка по способу подвода энергии (теп­лоты) подразделяется на конвективную, контактную (кондуктивную), радиационную, диэлектрическую, сублимационную.

Конвективная сушка осуществляется за счет взаимодействия продукта с сушильным агентом. В качестве сушильного агента используют воздух, перегретый пар, топочные газы.

При контактной или кондуктивной сушке теплота к продукту передается от теплоносителя или какого-либо, другого источ­ника через разделяющую их стенку.

Радиационная сушка осуществляется за счет теплоты, пере­даваемой путем инфракрасного излучения.

При диэлектрической сушке продукт нагревается в поле то­ков высокой и сверхвысокой частот.

Сублимационная сушка происходит в условиях вакуума. При этом продукт находится в замороженном состоянии.

Для условий пищевой промышленности и общественного пи­тания наибольшее значение имеют конвективный и контактный виды сушки. Для сушки особо ценных пищевых продуктов, об­ладающих высокой термочувствительностью, применяют субли­мационную сушку. Радиационная и диэлектрическая сушка до настоящего времени не получила широкого промышленного распространения.

Основные аппараты (установки) для сушки продуктов.В на­стоящее время в различных отраслях народного хозяйства, в том числе на предприятиях пищевой промышленности и обществен­ного питания, используют многие десятки типов сушилок. Ниже кратко рассмотрены принципиальные схемы конвективных и контактных сушилок.

Конвективные сушилки бывают как периодического, так и непрерывного действия. Важным признаком подразделения кон­вективных сушилок является вид продукта (твердый, жидкий, пастообразный), подвергаемого сушке. Сушилки для твердых продуктов можно подразделить на следующие основные виды: камерные (шкафные), ленточные, барабанные, сушилки для сушки продукта в псевдоожиженном слое.

Камерные (шкафные) сушилки относятся к сушилкам пе­риодического действия. Продукт располагается на полках, в ка­мере сушилки горячий воздух омывает продукт и уносит с собой испаряемую влагу. Условия сушки продукта (температура и влажность воздуха), расположенного на нижних полках, отли­чаются от условий сушки продукта, расположенного на верхних полках шкафа. В связи с этим для поддержания одинаковых условий сушки полки с продуктом меняют местами. Сушилки этого типа малопроизводительны, они используются в общест­венном питании для сушки сухарей.

Большей производительностью обладают непрерывнодействующие ленточные сушилки (рис. 55). Продукт в них через бункер поступает на верхний ленточный транспортер, с него пе­реходит на нижележащий и так далее до разгрузочного бун­кера. Горячий воздух, обдувая продукт, уносит с собой испарившуюся из него влагу.

Значительное распространение для сушки различных пище­вых продуктов (зерна, сахара-песка, казеина) получили бара­банные сушилки, а также сушки отходов сырья (жома, барды). Перспективным является их использовать для сушки остатков пищи, собираемых на предприятиях общественного питания. Исходный продукт через загрузочный бункер направляется во вращающийся барабан, в который поступает горячий воздух. За время нахождения в барабане продукт многократно пе­ремешивается и пронизывается горячим воздухом. За счет этого осуществляется его сушка. Отработанный воздух отсасывается вентилятором и проходит через циклон, где от него отделяются частички продукта.

Рис. 55. Схема ленточной сушилки:

1 – патрубок для входа горячего воздуха; 2 – корпус сушилки;

3 –загрузочный бункер; 4 – патру­бок для выхода отработанного воздуха;

5 – ленточные транспор­теры; 6 – разгрузочный бункер

Для сушки остатков пищи в общественном питании ус­пешно могут быть использованы сушилки с применением псевдоожиженного слоя. Они бывают непрерывного и периодиче­ского действия. На рис. 56 приведена схема сушилки периодического действия. Продукт помещается на перфорированную перегородку. Горячий воздух продувается через продукт и «взвешивает» его, т. е. создается псевдоожиженный слой. За счет теплоты воздуха осуществляется испарение влаги из про­дукта.

Рис. 56. Схема сушилки с псевдоожиженным слоем:

1 – патрубок длявхода горячего воздуха; 2 – перфорированная перегородка;

3 –корпус сушилки; 4 – патрубок для отвода отрабо­тавшего воздуха

Для сушки жидких и пастообразных продуктов широкое при­менение получили конвективные сушилки распылительного типа. Эти сушилки относятся к непрерывнодействующим. Принцип их работы заключается в том, что продукт распыляется специ­альным дисковым или форсуночным распылителем. Во внутреннее пространство башни (рис. 57) подается горячий воздух. Распыление приводит к тому, что резко увеличивается поверх­ность контакта воздуха с продуктом. Это приводит к интенсив­ному испарению. За счет распыления поверхность капель, обра­зованных из 1 кг продукта, достигает 100-150 м². Готовый по­рошкообразный продукт шнеком отводится к разгрузочному бункеру. Отработавший воздух из башни направляется в цик­лон или рукавные фильтры. После выделения из него частиц сухого продукта воздух отводится в атмосферу. Отделившиеся частицы продукта из циклона поступают в разгрузочный же­лоб. Жидкие продукты, подвергаемые сушке, целесообразно предварительно сгущать на вакуум-выпарных установках. Это позволяет существенно сэкономить расход теплоты.

Рис. 57. Схема сушилки распылительного типа:

1 – корпус сушилки (сушиль­ная башня); 2 –патрубок для подачи жидкого

продукта; 3 – приводной вал с распылитель­ным диском; 4 – патрубок для входа горячего воздуха; 5 – переходной воздуховод; 6 –патрубок для отвода

отрабо­тавшего воздуха; 7 – циклон; 8 – разгрузочный бункер для сухого

продукта; 9 – разгру­зочный желоб со шнеком

Применение распылительных сушилок имеет необычайно важное значение для производства таких сухих продуктов, как молоко, сливки, сыворотка, мороженое, бульоны, соки. Они со­вершенно незаменимы при производстве сухих молочно-растительных продуктов, например молочно-картофельного пюре. Все эти продукты имеют повышенную готовность, и их широкое ис­пользование необходимо при индустриализации общественного питания.

Контактные (кондуктивные) сушилки применяют для сушки как твердых, так и жидких и пастообразных продуктов. Для сушки твердых продуктов среди контактных сушилок распро­странение получили шкафные, работающие при атмосферном давлении и под вакуумом. Принцип работы сушилки вакуум-шкафного типа, используемой для сушки термолобильных пищевых продуктов, состоит в том, что на пустотелые плиты, в которые поступает пар, укладывается продукт, подлежащий сушке. В результате контакта с греющей поверхностью продукт нагревается и из него удаляется влага. Для поддержания ва­куума корпус сушилки соединен с конденсатором и вакуум-на­сосом.

Для сушки жидких и пастообразных продуктов применяют сушилки вальцового типа, которые можно подразделить на двухвальцовые и одновальцовые. Принцип работы двухвальцовой сушилки показан на рис. 58.

Рис. 58. Схема сушилки вальцового типа:

1,7 –приемные желобы для сухого про­дукта; 2, 6 – ножи; 3, 5 – вальцы;

4 – патрубок для подачи исходного продукта

Во внутреннее пространство массивных вальцов поступает пар, а на их поверхность наносится жидкий продукт, который покрывает вальцы пленкой. В результате теплообмена происходит интен­сивное испарение влаги из продукта. Образовавшийся конденсат отводится через специальную трубку. Сухой про­дукт снимается с вальцов ножами и попадает в приемные желоба.

Сущность сублимационной сушки состоит в следующем. Продукт поме­щают в сушильную камеру (сублима­тор). В ней создают глубокий вакуум. Влага, содержащаяся в продукте, на­чинает интенсивно испаряться. За счет расхода теплоты на испарение про­дукт охлаждается и замерзает. Да­лее начинается процесс собственно сублимации. Пары образуются непо­средственно из льда, содержащегося в продукте. Пары из сублиматора отводятся в конденсатор, где они конденсируются. Благодаря этому в системе «сублиматор – конденса­тор» поддерживается вакуум. Не сконденсированные пары и воздух из конденсатора отводятся вакуум-на­сосом.

Подвод теплоты в сублимационных сушилках может осу­ществляться путем подачи во внутренние пространства полок, на которые укладывают продукт, пара. Возможен подвод теп­лоты от ламп инфракрасного излучения.

Сублимационные сушилки нашли применение для сушки термолобильных материалов, в том числе вкусовых и ароматообразующих продуктов.