Дисер по обезвоживанию (Расчет режимов обезвоживания клубники), страница 2

Внимание специалистов привлекает баромембрзнная технология, редложенная для фракционирования макромолекулярных растворов, таких ак протеиновые фракции, гормоны, нуклеиновые кислоты, плазмы и т.д. Проеденный нами анализ качества концентратов, полученных ультрафильтрацией обратным осмосом из жидкостей растительного происхождения и экс траков, показал [17, 45], что они обладают преимуществами по органолептиче-ким показателям и химическому составу перед концентратами, полученными ыпариванием. Однако отмечены потери ароматических веществ, так как не озданы мембраны, способные задерживать в концентрате низкомолекуляр-ые компоненты, определяющие качество таких растворов, как кофе, чай, »руктовые соки. Это связано с одной стороны, с трудностями промышленного !зготовления мембран необходимой селективности, а с другой - предельными начениями концентраций (20....25%), выше которых резко снижается их про-1ицаемость и процесс становится неэффективным.

Разделение пищевых жидкостей, основанное на различии молекуляр-(ых масс компонентов, приводит к потере низкомолекулярных соединений и |ри концентрировании жидких пищевых продуктов, имеющих хорошо сбалан-:ированный состав по микро- и макроэлементам, использование баромемб->анной технологии может привести к расбэлансировке элементного состава, .е. потере качества.

К числу высокоэффективных способов концентрирования термолабиль-гых растворов в пищевой, микробиологической и фармацевтической промыш-енности относятся способы криоконцентрирования. При замораживании со

:коростью 2.5....3.0-10" м/сек, в растворе образуются кристаллы чистого !ьда, а за счет накопления водорастворимых веществ в оставшейся части кидкости, концентрация последней увеличивается [3,4,10,17,20,30].

Отмечены следующие специфические преимущества криоконцентри-ювания перед другими способами:

— низкие температуры процесса, что особенно важно при разделен! термолабильных жидких продуктов;

— возможность разделения растворов и суспензий, содержащих блу кокипящие компоненты и осажденные частицы (например, белки);

— возможность концентрирования растворов и суспензий, склонны> пенообразованию (молочная сыворотка, свекольный сок, пиво, чай).

Анализ многочисленных отечественных и зарубежных исследован! качества концентратов, полученных удалением части воды вымораживание свидетельствуют о преимуществах криоконцентрирования перед вакуум-в; паркой (Зеленская Н.И., Гасюк Г.Н., Папп Л., Рабинович З.Д., Шевельков В.Е Филиппенко O.A., Недзельски 3., Тиссен Н.А.С., Дешпанд С.С., Чериан М. ДР-)-

Стоимость криоконцентрирования жидких пищевых продуктов на с годняшний день выше стоимости других процессов сгущения, поэтому данн; технология находит применение в первую очередь там, где необходимо на! более полное сохранение качества продукта [17,32,37,54,62], т.е., когда npi имущества могут компенсировать повышенные затраты на его получение.

Одним из факторов, сдерживающим использование криоконцентрир( вэния в промышленности, являются потери растворимых веществ с кристалл; ми льда, удаляемыми из концентрата [40.64,68].

. Снижение потерь может быть обеспечено за счет рациональных те) нологических режимов и создания соответствующих технических средст! Для этого необходимо изучение механизма явлений в области гидродинам1 ки и тепло-массопереноса при фазовых переходах в области отрицательны температур.

Разработка критерия эффективности для сравнения различных способов концентрирования

В анализируемых публикациях жидкие пищевые продукты рассматри ваются как бинарные растворы, состоящие из растворителя (воды) и раствс

енных в ней сухих веществ. Такой подход, благодаря своей относительной ростоте, оправдан при сгущении слабоконцентрированных растворов, напри-1ер при опреснении морской воды (Сж = 2... 4%) [1,2,4]. В действительности, |ищевые жидкости характеризуются сложным химическим составом, наличи-¡м минеральных веществ и витаминов, многокомпонентной смесью легколету-:их фракций и, очевидно, что ценность жидких продуктов определяется впол-1е конкретными потребительскими свойствами, которые в них необходимо ¡охранить при обезвоживании.

Так, при концентрировании кофейных, чайных и цикорных экстрактов <еобходимо сохранить аромат, цвет, содержание кофеина, танина, катехинов, чнулина; при получении натуральных пищевых красителей — антоцианов; при концентрировании цитрусовых, черносмородиновых и овощных соков — витамина С; при работе с белковосодержащими растворами требуется обеспе-мть режимы, исключающие денатурацию белка [37,39,40,46,68].

Решение проблемы сохранения качества пищевых продуктов при концентрировании сводится к выбору способа и созданию условий, обеспечивающих минимальные необратимые изменения нативных веществ в продукте.

Автором предложен критерий сравнения способов концентрирования [45,53], учитывающий диапазон и степень концентрирования, количество получаемого концентрата и удаляемой влаги, величину потерь водорастворимых веществ и- др. Сравнение производится по показателю эффективности е, представляющему собой отношение количества концентрата Кд, получаемого

в реальном процессе с учетом потерь водорастворимых веществ к теоретиче-

ски возможному Кт при той же степени концентрирования т- -¡-А . Величина

Кт определяется из уравнений материального баланса Кт = М-^-- при условии,

что удаляемая вода Ш (пар, фильтрат или лед) не содержит водорастворимых веществ, т.е. Си = 0, где N—количество исходного раствора, кг. Таким образом:

_ Кд _ Ск С„ Сиг [л

£ — -О- ~ 7-г- • /-. _ - V I

|\т ^Н ^к

Имея результаты расчетов или экспериментов для конкретного растн ра и используя кривые на рис.1, можно определить эффективность спосо концентрирования. Кривые 1....5 характеризуют относительные "потери ка^ ства" продукта.

2.0 2.$ 3.0 3.5

Рис.1. Зависимость критерия эффективности способа (е) от степени концентрирования жидкости (<р) при Qy/Сн: 1—0.1; 2—0.2; 3—0.3; 4—0.4; 5—0.5.

Экспериментально нами установлено [3,20,37,39,56], что различны компоненты, входящие в состав жидких пищевых продуктов при удалении вс ды имеют степень концентрирования, отличную от ^растворимых вещест: рассматриваемых как сумма компонентов.

В табл.1 показано, в качестве примера, изменение коэффициента ^ центрирования компонентов виноградного сока при сгущении.

Применяя различные способы концентрирования, в принципе возмо* но выделять из раствора определенные компоненты, в соответствии с постэе ленной целью.

Таблица 1

Изменение содержания компонентов виноградного сока при криоконцентрировании

Компоненты Концентрация,% Коэффициент концентрирования, <р

начальная конечная

1. Сухие вещества 17.40 43.50 2.5

2. Общие сахара 15.40 -36.90 2.4

3. Общая кислотность 0.67 1.27 1.9

4. Ароматические вещества, 2.00 3.60 1.8

мл. 0.1 N КОН

5. Катехины 0.146 0.26 1.8

6. Азот аминный 0.048 0.11 2.3

Большими возможностями в этом плане обладает способ фракционного криоконцентрирования, с помощью которого при определенных режимах можно регулировать содержание того или иного компонента в твердой фазе и в концентрате, получая продукт с заданными функциональными свойствами.

Предложенная нами методика сравнения эффективности концентрирования позволяет оценить как поведение отдельных компонентов при сгущении, так и потери легколетучих фракций, минерального состава, белков, витаминов и т.д.; при этом необходимо экспериментально установить изменение концентрации исследуемого компонента и распределение его по фракциям в каждом из-сравниваемых способов.

1.2. Физические принципы криоконцентрирования жидких пищевых продуктов

Сгущение с использованием холода, применяемое в Венгрии, Италии, Франции, США и др. странах, состоит из двух основных этапов. На первом — часть находящейся в растворе воды при низких температурах и массовой кри-

сталлизации превращается в лед, образуя смесь концентрата со льдом, на в ром — концентрированный раствор и лед разделяются центрифугирован« или в специальных промывных колоннах. Вода из раствора вымораживает тонким слоем (< 0.5 мм) на внутренней охлаждаемой поверхности горизс тального цилиндрического аппарата, лед скалывается вращающимися ножа! и смесь кристаллов с раствором поступает в сепарационное устройство.

Эффективность разделения жидкостей в процессе кристаллизации : тектикообразующих систем, к которым относятся жидкие пищевые продукт характеризуемая захватом водорастворимых веществ растущими кристал; ми, зависит от формы поверхности раздела фаз лед-концентрат.

Потери возникают вследствие захвата концентрата в межкристалл^ ские пустоты при нарушении гладкой поверхности фронта кристаллизации, также микротрещинами в твердой фазе и адсорбции его на поверхности кр сталлов — "физический" захват растворимых веществ. При высоких скорост кристаллизации (Укр) увеличение концентрации раствора приводит к возни новению концентрационного переохлаждения в пределах пограничного ди< фузионного слоя, нарушению гладкой поверхности слоя льда, росту развет ленных кристаллов с ячеистой или дендритной структурой с повышенным з хватом растворимых веществ.

Анализ причинно-следственных связей между фазовыми изменения?, воды и массопереносом от фронта кристаллизации показал, что основны фактором, лимитирующим процесс является перенос водорастворимых в ществ через пограничный диффузионный слой, интенсивность которого опр| деляется градиентом концентраций, зависящим, в свою очередь, от скоросп кристаллизации и гидродинамики движения пленки.

Недостатком технологий, использующих массовую кристаллизацию в< ды и изотермическое выращивание кристаллов льда (ф.Сгепко, Нидерландь является сложность отмывки кристаллов от концентрата, который адсорбир ется на развитой поверхности кристаллов, что приводит к потерям раствор! мых веществ и значительным затратам на оборудование для этой цели.

2. Совершенствование и способы интенсификации крнокоицсптрирования

На основании анализа физических принципов криотехнологии и дости-<ений в химической технологии (Г.Б.Чижов, Э.М.Гуйго, Бартон, Пфанн, Мал-инз, А.Н.Киргинцев, Н.В.Лапин, В.А.Исаенко. Н.М.Жаворонков, Е.А.Басистов I др.), автором обоснованы и предложены более эффективные способы, бази->ующиеся на молекулярно-кинетической теории затвердевания расплавов и >астворов.

Их отличие от других заключается в том, что вымораживание воды про-чсходит на.охлаждаемых поверхностях, или из стекающей пленки в вертикаль--ю-трубчатом кристаллизаторе с последующим подплавлением и сбросом 1ьда.

Выращивание слоя льда на теплоотводящей поверхности, толщиной -10мм, полученной нами экспериментальным путем, позволяет, резко сократить общую поверхность твердой фазы, контактирующей с концентратом, тем ;амым уменьшить потери компонентов раствора за счет адсорбции и "физи-леского" захвата концентрата. Воздействуя на пограничный гидродинамический слой при турбулентных режимах течения жидкости (Яе>2000, осциллирующий режим движения границы раздела фаз, совмещающий достоинства противоточной и направленной кристаллизации) нами интенсифицирован теп-помассоперенос при криоконцентрировании и увеличена эффективность процесса [31,44,50,57,69]. Кроме того, возможность отработки режимов вымораживания в лабораторных условиях на одном рабочем элементе из конструкции промышленного аппарата упрощает переход от лабораторной установки к промышленным образцам.

Кристаллизация льда из жидких пищевых продуктов, сопровождаемая переносом воды к границе раздела фаз (рис.2) приводит к росту концентрации в диффузионном пограничном слое бл до Со и! соответственно, к понижению равновесной температуры кристаллизации в пределах пограничного теплового слоя с Тж до Тр, Возникающий тепловой поток, пропорциональный

ДТ =ТЖ - Тр , может привести к локальному переохлаждению раствора, N