Ресурсосберегающие процессы вакуумного обезвоживания
advertisement
Ресурсосберегающие процессы вакуумного обезвоживания многокомпонентных термолабильных материалов в прикладной биотехнологии. Московский государственный университет прикладной биотехнологии д.т.н., проф., проректор по научной работе Семенов Г.В. Булкин М.С., Буданцев Е.В. – аспиранты В работе рассмотрены рассмотрены варианты вакуумного обезвоживания термолабильных материалов при различных давлениях. Даны оценки интенсивности процессов и уровня энергозатрат. Показана роль и дана численная оценка влияния условий контактирования объектов сушки в стеклянных емкостях с теплоподводящими поверхностями на продолжительность сушки. Одним из современных приоритетных направлений в области биотехнологии является создание принципиально новых процессов и технологий физиологически значимых многокомпонентных веществ, включающих различные белки животного происхождения, растительные компоненты, специальные добавки витаминов и микроэлементов. Одной из центральных задач производства и использования таких сложных по составу композиций является сохранение их нативных свойств в течение достаточно продолжительного времени. приобретает производстве при Особую значимость продуктов это обстоятельство лечебно-профилактической направленности, БАДов, фармацевтических средств. В связи с этим, всю большую востребованность приобретают технологии, предполагающие для достижения длительной сохранности замораживание и последующую сушку в щадящих температурных режимах в вакууме. Предметом нашего рассмотрения являются несколько вариантов вакуумного обезвоживания, в том числе классическая вакуумная сублимационная сушка при давлениях ниже давления тройной точки воды, вакуумная сушка при давлениях 4000- 6000 Па, а также совмещение режимов вакуумного удаления влаги на начальной стадии и последующем завершении процесса в режиме сушки сублимационной. Выполненные нами эксперименты показали перспективность этих технологий при обезвоживании таких материалов как сывороточные белки из молочного сырья, комбинации из белков животного и растительного происхождения с фруктовыми пюре, кисломолочных продуктов, клейковины (белковая часть зерна злаковых культур). Наиболее высокие показатели уровня сохранности достигаются при условии использования классической вакуумной сублимационной сушки. Однако, использование ее сопряжено с высокими удельными энергозатратами, сложным оборудованием, продолжительным процессом. Два последующих из числа вышеуказанных вариантов обезвоживания являются альтернативами сублимационной сушке. В рамках данной работы выполнено сопоставление уровня качества высушенных продуктов при различных режимах процесса влагоудаления и оценка энергозатрат. Как уже было отмечено, процесс вакуумной сушки осуществлялся при давлениях порядка 30 ÷ 50 мм.рт.ст. (4000-6000 Па) и щадящих температурных режимах. Это является благоприятным условием для сохранности свойств широкого спектра термолабильных материалов. Технология вакуумной сушки жидких и пастообразных продуктов достаточно ощутимо влияет на интенсивность влагоудаления. Были проведены исследования процессов сушки в вакууме, а также в совмещенных режимах испарением в вакууме и последующей сублимацией в рамках одного цикла. Объектами сушки были: фруктовые пюре в сочетании с молочными белками, клейковина, йогурт. Эксперименты проводились с использованием экспериментального сконструирован и изготовлен стенда СВС-0,36, который был в нашем университете (Рис. 1). Стенд предназначен для исследования в лабораторных условиях процессов вакуумного обезвоживания широкого спектра жидких, пастообразных и твердых термолабильных материалов. Рис. 1. Общий вид экспериментального стенда СВС-0,36. Задачами исследований явились: - определение содержания витамина «С», поскольку содержание его является одним из значимых параметров качества для фруктовых и овощных продуктов, гистологические исследования структуры ткани; - определение функциональных свойств гидрализатов пшеничной клейковины (водосвязывающая, жироэмульгирующая способности, пенообразующая, стабильность жиросвязывающая, пены и эмульсии, содержание водорастворимого протеина); - определение биологической активности препарата, содержащего концентрированные белки молока; - определение энергозатрат на 1 кг удаленной влаги для разных режимов обезвоживания на примере яблочного пюре. Эксперименты проводились в трех различных режимах обезвоживания. Режим вакуумной сушки при давлении 30 – 50 мм.рт.ст. (4000 - 6000 Па), режим сублимационной сушки при давлении 0,1-0,5 мм.рт.ст. (30 – 60 Па) и совмещенные эти два процесса в рамках одного цикла. В каждом эксперименте удалялось различное количество влаги испарением в вакууме и сублимацией, а именно: 1 эксперимент: 100 % влаги удалили сублимацией; 2 эксперимент: вакуумной сушкой и сублимационной сушкой, примерно в равных соотношениях; 3 эксперимент: 100 % вакуумной сушкой. Значения убыли массы влаги во времени фиксировались электронными тензовесами, результаты представлены в виде графиков на рис. 2. 140 120 Сублимация Убыль массы, г 100 Совмещенный режим Вакуумная сушка 80 60 40 20 0 0 200 400 600 800 время, мин Рис. 2. Изменение массы во времени. Испарение в вакууме всегда интенсивнее процесса сублимации. На представленных кинетических зависимостях наглядно видно более интенсивное удаление влаги в режиме кипения (испарения в вакууме), чем в режиме сублимации. Это объясняется объемным испарением вспененного слоя за счет увеличения площади испарения пенной структуры. Во вторых, фазовый переход «лёд-пар» по своей физической природе всегда при прочих равных условиях проигрывает интенсивности испарению. Определение содержания витамина «С» проводилось в аккредитованном испытательном центре пищевого сырья, продуктов и упаковочных материалов нашего университета. Результаты экспериментов приведены в таблице 1. Таблица 1 Образцы Исходный Оразец № 1 Оразец № 2 Оразец № 3 92,3 86,4 61,4 образец Содержания витамина 100 «С», % Гистологические исследование высушенного продукта различными режимами проводились на атомно-силовом зондовом микроскопе Solver NEXT (Рис. 3). С целью наглядного изображения структуры, пробы были окрашены красителями в разные цвета. а) б) Рис. 3. Где а) – структура ткани образца высушенного режимом № 1; б) - структура ткани образца высушенного режимом № 2. Анализ структуры ткани на уровне порядка нескольких микрометров показал, что после процесса обезвоживания режимом № 2 (Рис. 3б) строение формы клетки и внутренняя структура (нутриенты) сохранены. В то время как межклеточное пространство значительно изменилось относительно сублимированного продукта, в данном случае оно уменьшилось (сузилось). Отсюда можно сделать вывод, что обезвоживание в совмещенном режиме не приводит к значительному изменению структуры высушенного продукта, а остается на уровне близком к исходному. Эксперименты по сушке клейковины в различных режимах (Рис. 4) показали, что клейковина при этом достаточно хорошо и равномерно вспенивается (Рис. 4б). а) б) Рис. 4. Где а) – клейковина высушенная режимом № 1; б) – клейковина высушенная режимом № 2. Это объясняется тем, что по своей консистенции клейковина поддерживает объемную, пенистую структуру за счет реологических свойств продукта. В данном случае это свойство клейковины дает возможность увеличения стабильности пены при меньших затратах на регулирования и обеспечение необходимых режимных параметров и соответственно приводит к более интенсивному влагоудалению с относительно малыми затратами на электроэнергию. Функциональные свойства приведены в таблице 2. Таблица 2 Показат 30' 60' 90' 120' Вакуу Сублима- Вакуу Сублима- Вакуу Сублима- Вакуум Сублима- мная ционная мная ционная мная ционная ная ционная ВСС, % 67 58 69 45 68 32 56 13 ЖСС, % 130 65 110 44 100 45 100 43 ЖЭС, % 50 46 49 42 56 30 58 14 СЭ, % 48 50 50 40 56 32 51 20 ПОС, % 183 218 200 230 200 243 216 276 СП, % 32 25 28 26 22,0 25 12 14 20 15 36 24 45 32 67 34 ели Раств-ть, % Совмещенный режим ВСС, % 99 92 91 90 ЖСС, % 120 126 116 110 ЖЭС, % 50 50 46 43 СЭ, % 100 100 81 78 ПОС, % 257 280 290 303 СП, % 46 38 35 35 14 24 31 35 Раств-ть, % Более высокие значения функциональных свойств гидролизованных белков сухой пшеничной клейковины, по сравнению с вакуумной сушкой, достигнуты сушкой в совмещенном режиме. Вывод относится ко всем функциональным свойствам, за исключением растворимости белков, значения которой не изменились относительно значений, полученных при обычной сублимационной сушке. Значения пенообразующей способности препаратов гидролизованных белков клейковины превышали на 18-20% значения аналогичного показателя гидролизатов, полученных сублимационной сушкой, и на 20-40% высушенных вакуумной сушкой. Важно отметить, что при сушке в совмещенном режиме высокие значения получены для жироэмульгирующей, водо-, жиросвязывающей способности и стабильности эмульсии, приготовленной с препаратами различной степени гидролиза. Если при двух других способах сушки стабильность эмульсий с гидролизатами белков, полученными за 120 мин, составляла, например, всего 20-51%, то для тех препаратов сублимационной сушки в совмещенном режиме – 78-100 %. Достаточно высокой наблюдалась стойкость пены, независимо от времени гидролиза белков клейковины, – 35 - 46%, против 12-32 % для описанных выше способов, тогда как растворимость не превышала растворимости гидролизатов, высушенных вакуумной сушкой. Результаты экспериментов по определению уровня сохранности биологической активности препарата из сывороточных белков молока после вакуумного обезвоживания в разных режимах представлены в таблице 3. Таблица 3 Биологическая активность Режим сушки препарата, % от исходного уровня Сублимационная сушка 95 Вакуумная сушка 70 Совещенный режим 86 Для наглядного сравнения режимов сушки рассчитали затраты на 1 кг удаленной влаги для разных режимов обезвоживания на примере яблочного пюре с добавлением молочных белков. Данные приведены в табл. 4. Таблица 4 Режимы Время сушки обезвоживания , час Энергозатраты на 1 кг удаленной влаги, Качество продукта руб. №3 7 246,4 удовлетворительно №2 8 277,2 очень хорошо №1 11,5 307,5 отлично Общим результатом представленных выше комплексных исследований является обоснование перспективности обезвоживания в совмещенном режиме, который в сопоставлении с сублимационной сушкой обеспечивают применительно к исследуемым продуктам сопоставимый уровень их качества. Совместное использование вакуумной сушки и сублимационной в различных сочетаниях дает нам возможность значительно сократить процесс сушки по времени, что является главной интенсифицирующей составляющей. Таким образом, в условиях реального промышленного производства позволяет обеспечить экономию энергозатрат на уровне 10-15 %, а также обеспечить стабильное получение сухих продуктов с заданным уровнем качества. Еще одним фрагментом нашей работы явилось выявление особенностей и численная оценка условий контактирования стеклянных емкостей с теплоподводящей поверхностью в вакуумных сушильных устройствах. Как известно, значительный спектр объектов прикладной биотехнологии (ферментов, заквасок, лекарственных препаратов и т.п.) высушивается в стеклянных емкостях – флаконах или ампулах. Эти стеклянные емкости в процессах вакуумного обезвоживания получают энергию от греющих поверхностей, на которых они расположены. Именно такая схема имеет место практически во всех вакуумных и вакуумносублимационных установках, которые применяются сегодня в промышленном производстве дорогостоящих объектов в высушенном состоянии. В таких условиях решающую роль играет плотный, надёжный контакт двух обменивающихся теплотой тел. Основным путём устранения этой неравномерности нам представляется – улучшение именно условий контактирования. В ходе экспериментальных исследований на первом этапе были оценены реальные пятна контакта стеклянных емкостей с греющей поверхностью, на втором - определение теплового потока и степени его прохождения через дно стеклянной емкости к обезвоживаемого продукту с целью определения величины термических сопротивлений и их влияния на длительность обработки продукта, на третьем - определение степени влияния неравномерности контактирования на продвижение фронта фазового перехода при разных условиях контактирования и на четвертом – определение влияния условий контактирования в условиях промышленного производства. На рис. 5 приведена реальная картина характерных пятен контакта ампул, флаконов и чашек Петри, образовавшихся в результате контактирования порядка ста окрашенных донышек серийно выпускаемых емкостей с плоской металлической поверхностью. Такая форма пятен обусловлена особенностью формы донышек ёмкостей, а также степенью ровности нагревателя (расположением его поверхности в одной плоскости). А Рис. 5. Б Характерные пятна В контакта стеклянных емкостей с поверхностью нагревателя: А – ампулы; Б – флаконы; В – чашки Петри. Расчёт площадей пятен контакта дал возможность сделать вывод, что реальная площадь контакта при разной расстановке составляет для флаконов 15-20%, ампул 20-30%, чашек Петри 70-80% от общей площади дна емкости. С учетом микронеровностей эти цифры фактически ещё меньше. Для определения характера и размеров микронеровностей дна стеклянных емкостей использованием нами была современного проведена сканирующего серия исследований зондового с микроскопа. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом (кантилевером). Проведены исследования поверхностей донышек стеклянных ампул и флаконов различной формы и размеров. Получены фотоснимки микронеровностей, а также их геометрические характеристики (рис 6). А Б В Г Рис. 6. Трёхмерные изображения участков поверхностей донышек стеклянных ампул и флаконов с характерными микрошероховатостями. Показано, что вся поверхность состоит из огромного количества пиков и впадин, высота которых достигает 300 нм и которые, соприкасаясь с пиками другой контактирующей поверхности (нагреватель, противень и т.д.), образуют микрозазоры, значительно препятствующие теплообмену в вакууме и увеличивающие длительность обезвоживания. Полученные численные значения микронеровностей донышек различной формы и размеров серийно выпускаемых стеклянных емкостей использованы в предложенных позволяющих дать нами численную оценку аналитических длительности зависимостях вакуумного обезвоживания [1]. Далее для проведения количественных оценок влияния реальных зазоров была проведена серия экспериментов, в которой были смоделированы условия теплопередачи близкие к идеальным, для чего микрозазоры были заполнены материалом с высокой теплопроводящей способностью (пастой на основе мелкодисперсного порошка контакт меди). Далее моделировался прямой материала с греющей поверхностью. На этом этапе определялся полный тепловой поток при отсутствии контактного сопротивления. В качестве нагреваемого материала в экспериментах применялось модельное тело – парафин, т.к. использование реальных объектов сублимационного обезвоживания затрудняет проведение точных расчетов и связано с существенной неопределенностью и изменчивостью их теплофизических свойств. А Б В Рис. 7. Исследуемые конфигурации контактирования емкостей с греющей поверхности: А – реальный контакт; Б – контактирование улучшено теплопроводящим материалом, заполняющим зазор; В – непосредственное контактирование продукта с греющей поверхностью. Результаты экспериментов при атмосферном давлении и в вакууме представлены на рис. 8 и 9. Рис. 8. Зависимость изменения температуры парафина от времени нагрева при атмосферном давлении. Рис. 9. Зависимость изменения температуры парафина от времени нагрева в вакууме. В ходе экспериментов с использованием реальных жидких и пастообразных продуктов (йогурт, клейковина) получены аналогичные результаты. Еще больший эффект наблюдался при изоляции боковых поверхностей емкостей в совокупности с применением давящих воздействий. Следующим этапом экспериментальных исследований стало изучение продвижения фронта фазового перехода при разных условиях контактирования. Исследования проводились на примере обезвоживания кисломолочных продуктов (кефира с содержанием жира 2,5%) в стеклянных флаконах. Для визуального определения скорости продвижения фронта в продукт был добавлен розовый гексагидрат хлористого кобальта (CoCl2·6Н2О). Заполнения зазора между греющей поверхностью и донышком флакона использовался тонкодисперсный медный порошок. Кривые, отражающие продвижение фронта фазового перехода по толщине слоя продукта при разных условиях контактирования представлены на рис. 10. Рис. 10. Кривые продвижения фронта сублимации в кефире при разных условиях контактирования. На рис. 11. показана степень продвижения фронта сублимации за разные временные промежутки. Рис. 11. Продвижение фронта фазового перехода при обезвоживании кефира с реальными условиями контактирования (справа) и искусственно улучшенными (слева): А – 30 мин; Б – 60 мин; В – 120 мин; Г – 180 мин; Д – 240 мин. Видно, что скорость продвижения фазового перехода заметно выше при улучшении условий контактирования. При использовании теплопроводящей пасты продукт полностью окрасился в синий цвет на 60 мин раньше, т.е. время обезвоживания сократилось на 20%. Завершающим этапом экспериментов по определению влияния степени контактирования на продолжительность сушки стало обезвоживание концентрата сывороточных белков молока на промышленной установке с кондуктивным энергоподводом, наиболее часто применяемой в нашей стране для обезвоживания биопрепаратов – TG-50, производительностью 50кг сырья за цикл сушки. Продукт был предварительно заморожен при температуре -35 °С во флаконах (100 шт.) толщиной слоя 10 мм Половина емкостей с продуктом стояла непосредственно на греющей плите. Вторая половина находилась на греющей плите с нанесением тонкого слоя (порядка 0,1 мм) пасты, состоящей на 95% из тонкодисперстного порошка меди. Также, контакт был улучшен путем применения давящего воздействия по нормали к дну флакона. Термограммы сушки, а также кинетические кривые представлены на рис. 12 и 13. Рис. 12. Термограмма сушки концентрата сывороточных белков молока во флаконах при разных условиях контактирования с греющей плитой в условиях промышленного производства. Рис. 13. Кривые убыли влаги из концентрата сывороточных белков молока во флаконах при разных условиях контактирования с греющей плитой в условиях промышленного производства. Из полученных экспериментально кривых видно, что температура продукта, находящегося в емкости, контакт которой с греющей плитой искусственно улучшен, возрастает более интенсивно, чем температура при реальных условиях контактирования. Разность во времени достижения температуры продукта конечного значения составляет порядка 12% от цикла обезвоживания. Также, более интенсивно происходит влагоудаление из продукта при улучшенных условиях теплоподвода. Результаты представленной работы показывают, что имеются реальные резервы интенсификации процессов вакуумного обезвоживания термолабильных материалов, снижения продолжительности обезвоживания, снижения затрат на данную технологическую операцию. Рассмотренные нами процессы и полученные закономерности могут быть уже сегодня использованы в промышленном производстве объектов прикладной биотехнологии. Литература: 1. Тепломассообмен в промышленных процессах вакуумного сублимационного обезвоживания с учетом условий контактирования. Г.В. Семенов, М.С. Булкин, Л.Э. Меламед, А.И. Тропкина//Вестник Международной академии холода, СанктПетербург. 2010. Вып. 2.
