ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЯ СУХИМИ РАСТИТЕЛЬНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Рубрики: ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
2.
Астраханский государственный технический университет
(зав. кафедрой технологических машин и оборудования)
Россия
Россия
3.
Астраханский государственный технический университет
(кандидат технических наук; доцент кафедры технологических машин и оборудования)
Тип:
Статья
Страницы:
с 46
по 50
Статус:
Опубликован
Получено:
10.04.2016
Одобрено:
15.04.2016
Опубликовано:
15.04.2016
Классификаторы:
УДК 664.8.047:536.24
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 26.03 Общественно-политическая мысль
ГРНТИ 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
ГРНТИ 44.01 Общие вопросы энергетики
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 62.01 Общие вопросы биотехнологии
ГРНТИ 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
ГРНТИ 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 26.03 Общественно-политическая мысль
ГРНТИ 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
ГРНТИ 44.01 Общие вопросы энергетики
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
ГРНТИ 62.01 Общие вопросы биотехнологии
ГРНТИ 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
ГРНТИ 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
сушка растительного сырья, кинетика влагопоглощения, гигроскопические свойства растительных материалов
Аннотация (русский):
Представлены результаты экспериментально-аналитических исследований кинетики влагопоглощения сухими растительными материалами. В целях уменьшения негативного влияния сорбции рекомендовано выполнить герметизацию всех расходных и накопительных емкостей, транспортных элементов, узлов дозирования, смешения и т. п. Длительное хранение продукции необходимо осуществлять в герметичной упаковке или в помещениях при поддерживании соответствующей влажности воздуха. Установлены зависимости сорбционной активности сухих растительных материалов от внешних климатических условий, в частности от относительной влажности и температуры воздуха рабочих зон для расчета рациональных промежутков времени при выполнении технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др.
Представлены результаты экспериментально-аналитических исследований кинетики влагопоглощения сухими растительными материалами. В целях уменьшения негативного влияния сорбции рекомендовано выполнить герметизацию всех расходных и накопительных емкостей, транспортных элементов, узлов дозирования, смешения и т. п. Длительное хранение продукции необходимо осуществлять в герметичной упаковке или в помещениях при поддерживании соответствующей влажности воздуха. Установлены зависимости сорбционной активности сухих растительных материалов от внешних климатических условий, в частности от относительной влажности и температуры воздуха рабочих зон для расчета рациональных промежутков времени при выполнении технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др.
Ключевые слова:
сушка растительного сырья, кинетика влагопоглощения, гигроскопические свойства растительных материалов
сушка растительного сырья, кинетика влагопоглощения, гигроскопические свойства растительных материалов
Введение В настоящее время активно развиваются технологии переработки сырья растительного происхождения, в частности технологии производства сухих дисперсных плодоовощных материалов и пищевых волокон [1, 2]. Общеизвестно, что сухие плодоовощные продукты обладают высокой степенью гигроскопичности. Следовательно, очевидна целесообразность исследований для определения рациональных промежутков времени, необходимых для выполнения следующих после сушки технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др. Оперативность выполнения технологических операций зависит также от климатических условий и, в частности, относительной влажности и температуры воздуха рабочих зон. Объекты исследования В качестве объектов исследований были приняты: яблоко (сорт «Антоновка»); тыква (сорт «Волжская серая 92»); морковь (сорт «Витаминная»); кабачок (сорт «Ролик») и пищевые волокна, полученные из данных продуктов по технологии в соответствии с патентом РФ № 2309607 [3]. Экспериментальные образцы: сухое сырье - кубики со стороной 5 мм, полученные конвективной сушкой; порошок, полученный конвективной сушкой пюре (размер частиц пюре 100 мкм); порошок, полученный распылительной сушкой пюре (размер частиц пюре 1-30 мкм); пищевые волокна, полученные конвективно-радиационной сушкой во взвешенном состоянии (размер твердых частиц 1-1,5 мм). Планирование и проведение экспериментов В качестве целевой функции логично использовать влажность исследуемого продукта W`p, кг/кг. при текущих значениях времени сорбции В ходе экспериментов определялась зависимость W`p(τ) при текущих значениях времени сорбции τ, мин. Диапазон изменения влажности - от конечной влажности продукта, достигаемой в процессе сушки W`к, кг/кг, до конечной влажности продукта, рекомендованной для последующего длительного хранения Wк, кг/кг. На основе анализа результатов экспериментально-аналитических исследований гигроскопических характеристик растительных материалов [4, 5] принимаем W`к = 0,05 кг/кг. В табл. 1 приведены сведения по конечной влажности ряда плодоовощных продуктов, границы изменения целевой функции W`p, кг/кг. Таблица 1 Значения влажности экспериментальных образцов при исследовании кинетики влагопоглощения Продукт Влажность продуктов W`к, кг/кг Wк, кг/кг Яблоко 0,05 0,075 Тыква 0,05 0,065 Морковь 0,05 0,07 Кабачок 0,05 0,1 К варьируемым факторам, влияющим на скорость протекания процессов влагопоглощения, следует отнести исходную температуру продукта Тпрод, К; температуру воздуха Тв, К, и относительную влажность φв воздуха в помещении. В соответствии с требованиями нормативных документов (ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны и СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений), в зависимости от периода года и категории работ, температура Тв = 12- 30 °С, влажность воздуха φв = 40-75 %. Очевидно, что для экспериментальных исследований кинетики влагопоглощения сухими плодоовощными продуктами и определения зависимости W`p(τv) для расчета рациональных временны́х периодов по дальнейшей переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и т. д. целесообразно использовать наиболее благоприятные для сорбционных процессов условия: температура Тв = 12 °С = 275 К, влажность воздуха φв = 75 % = 0,75. При температуре Тв > 275 К и влажности воздуха φв < 0,75 сорбционные явления будут протекать медленнее, что не требует изменения промежутков времени для осуществления дальнейших технологических операций. Исследования проводились на экспериментальной установке для определения гигроскопических свойств методом Ван Бамелена [4, 5]. В ходе экспериментов образцы выдерживались над водным раствором серной кислоты в эксикаторе (φв = 0,75) при постоянной температуре (Тв = 275 К) и периодически извлекались из эксикатора и взвешивались на аналитических весах до достижения массы, соответствующей Wк (табл.). Результаты экспериментов и их анализ На основе результатов экспериментов были построены графики кинетики влагопоглощения сухих плодоовощных продуктов (рис. 1). Характер кривых влагопоглощения типичен для большинства пищевых продуктов [5]. В области допустимого влагопоглощения W`p = W`к - Wк влага в материале представлена только влагой мономолекулярной адсорбции [4]. Поглощаемая влага в продукте адсорбируется на поверхности мицелл и сухого скелета с переходом в связанное состояние и далее находится в продукте в виде энергетически прочных гидратных комплексов. Процесс влагопоглощения сопровождается значительным выделением тепла - теплоты гидратации (набухания) [4]. На основе анализа экспериментальных данных (рис. 1 и 2) можно сделать вывод, что увеличение степени измельчения плодоовощных продуктов приводит к сокращению времени влагопоглощения за счет увеличения сорбционной поверхности материала. а Рис. 1. Кинетика влагопоглощения сухих плодоовощных продуктов: а - тыква: -■- - пищевые волокна; -♦- - порошок, полученный сушкой пюре (средний характерный размер частиц 100 мкм); -●- - порошок, полученный распылительной сушкой пюре (размер частиц 1-30 мкм) б Рис. 1. Продолжение: б - морковь: -■- - сухое сырье (кубики со стороной 5 мм); -♦- - порошок, полученный сушкой пюре (средний характерный размер частиц 100 мкм); -●- - порошок, полученный распылительной сушкой пюре (размер частиц 1-30 мкм) Для математического описания процесса влагопоглощения паров влаги исследуемыми продуктами были получены функциональные зависимости W`p, кг/кг, от времени процесса τv, мин: , (1) где a`, b`, c`, d`, e` - эмпирические коэффициенты (табл. 2). Величина достоверности аппроксимации R2 = 0,999. Таблица 2 Значения эмпирических коэффициентов функциональной зависимости влажности продукта от времени процесса влагопоглощения Дифференцированием функциональной зависимости (1) по времени процесса τ можно получить зависимость для скорости процесса влагопоглощения dW`p(τ)/dτ: В качестве примера на рис. 2 представлены зависимости скорости влагопоглощения от времени процесса. Характер кривых скорости влагопоглощения типичен для большинства пищевых продуктов, и зависимость скорости процесса от времени носит экстремальный характер. В первый период влагопоглощения скорость процесса стремительно возрастает, достигая максимального значения (рис. 2), при котором сорбционные центры продукта активно взаимодействуют с молекулами воды, при этом на поверхности мицелл и сухого скелета образуется мономолекулярный слой адсорбционно-связанной влаги. Далее, после экстремальной точки, кривая монотонно убывает, что свидетельствует о снижении скорости процесса влагопоглощения при постепенном заполнении сорбционных центров и уменьшении свободной энергии системы материал - вода. Рис. 2. Зависимости скорости влагопоглощения от времени процесса: -♦- - порошок из яблок, полученный сушкой пюре (средний характерный размер частиц 100 мкм); -●- - сухие пищевые волокна из тыквы Визуальные наблюдения процесса влагопоглощения плодоовощными продуктами показывают, что их гигроскопичность проявляется в тенденции к аутогезии частиц во влажной атмосфере (φв = 75 %) с образованием комков. Заключение В целях уменьшения негативного влияния сорбции целесообразной является герметизация всех расходных и накопительных емкостей, транспортных элементов, узлов дозирования, смешения и т. п. Длительное хранение продукции необходимо осуществлять в герметичной упаковке или в помещениях при поддерживании соответствующей влажности воздуха. На основе полученных зависимостей можно определить допустимые интервалы времени в случае негерметичного проведения технологических операций по переработке, транспортировке, фасовке, упаковке и др.
1. Алексанян И. Ю. Инновационные технологии переработки сырья растительного происхождения / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, Л. М. Титова // Инновационные технологии АПК России - 2014: материалы II конф. в рамках Междунар. науч.-технол. форума «Биоиндустрия - основа зеленой экономики, качества жизни и активного долголетия». М., 2014. С. 12-18.
2. Алексанян И. Ю. Инновационные технологии переработки сырья растительного происхождения / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, Л. М. Титова // Материалы V Междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные пищевые технологии в области хранения и переработки сельскохозяйственного сырья: фундаментальные и прикладные аспекты». Воронеж, 2015. С. 115-119.
3. Пат. РФ № 2309607. Способ получения пектина и других продуктов из пектиносодержащего сырья / Алексанян И. Ю., Аристов П. М., Максименко Ю. А., Синяк С. В.; заявл. 24.01.2006; опуб. 10.11.2007.
4. Алексанян И. Ю. Термодинамика внутреннего массопереноса в полимерных системах / И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, В. Н. Лысова // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 3. С. 57-60.
5. Максименко Ю. А. Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии плодоовощных продуктов с водой / Ю. А. Максименко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2012. № 1. С. 41-45.
