5 ВВЕДЕНИЕ
Основными задачами кондитерской промышленности являются совершенствование существующей и разработка принципиально новой высокоэффективной техники и технологии, развитие отечественной сырьевой базы и создание продуктов функционального питания - изделий нового поколения.
Реализация этих задач позволит создать конкурентноспособную продукцию на мировом рынке по себестоимости, качеству, высокой пищевой и биологической ценности и функционального назначения.
В себестоимости кондитерских изделий значительную долю занимает сырье. Поэтому при разработке изделий на основе пищевых порошков весьма актуальной проблемой является поиск новых дешевых сырьевых источников и способов переработки их в порошки. В настоящее время получают пищевые порошки из сахара, патоки, плодов и овощей, молока и др., которые находят широкое применение в производстве различных пищевых продуктов. Перспективными сырьевыми источниками для получения пищевых порошкообразных кондитерских полуфабрикатов с низкой себестоимостью является сахарная свекла, фруктово-ягодные выжимки, вторичные молочные продукты др. При этом их переработку надо вести высокоэффективными способами путем создания сырьевых баз и цехов максимально приближенных к сырьевым источникам.
Применение пищевых порошков на основе растительного сырья в производстве кондитерских изделий позволяет уменьшить углеводно-жировой комплекс и калорийность, обогатить функциональными ингредиентами (пищевыми волокнами, витаминами, микроэлементами, олигосахаридами, органическими кислотами и др), расширить ассортимент изделий. Порошковые технологии кондитерских изделий просты и экономичны, что позволяет
получать массы и изделия с заранее заданными химическими свойствами и составом, т.е. продукты функционального питания.
Большой вклад в развитие теории и практики кондитерского производства внесли А.Л. Соколовский, О.Г. Лунин, М.М. Истомина, Л.С. Кузнецова, Г.А. Маршалкин, A.B. Зубченко, Л.М. Аксенова, Ю.А. Мачихин, В.А. Панфилов, Г.Б. Цыганова, З.Г. Скобельская, М.А. Талейсник, В.Я. Черных, Г.О. Магомедов и др.
Развитие порошковых технологий пищевых продуктов получили благодаря работам П. А. Ребиндера, Б.В. Дерягина, Н.Б. Урьева, М.А. Талейсника, Е.Д. Яхина, А.Д. Зимона, A.B. Зубченко, Г.О. Магомедова и
ДР-
В отечественной и зарубежной практике известны различные способы получения пищевых порошков на основе растительного сырья [1,2]:
- конвективный, сублимационный, сушки во вспененном состоянии, вальцевый, вакуумный, распылительный и другие.
Из них по комплексным показателям, особенно энергетическим и количественным характеристикам выделяют распылительную сушку. За рубежом ив нашей стране широко распространена распылительная сушка, для получения пищевых порошков из растворов и суспензий, так как этот способ высокопроизводителен, автоматизирован и экономически целесообразен [1-22]. При получении пищевых порошков распылительной сушкой наиболее важными технологическими критериями являются выбор типа конструкции распылительной сушилки, режимов сушки при оптимальных свойствах сухого продукта (физико-химические, механические, теплофизические). Для получения пищевых порошков на основе растительного сырья наиболее предпочтительной является распылительная сушилка («прямоточная» или «смешанного» типа с высокой влагонапряженностью и максимальным сохранением качественных показателей сухого порошка [23].
Следовательно, разработка конструкции высокоэффективной распылительной сушилки позволит снизить себестоимость и повысить качество пищевых порошков.
Разработка порошковой технологии кондитерских изделий требует фундаментального изучения процессов структурообразования пищевых порошков и масс на их основе.
Кондитерские изделия классифицируются в зависимости от вида и характера связей между частицами дисперсной фазы на коагуляционные, кристаллизационные и смешанные коагуляционно-кристаллизационные структуры. При этом пищевые порошки могут выступать как основные структурообразующие компоненты, наполнители или обогатители.
Таким образом, разработка порошковых технологий кондитерских изделий открывает новые перспективы развития пищевой и перерабатывающей промышленности.
8
ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ
ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Современное состояние и задачи получения пищевых порошков
При сушке распылением процесс диспергирования растворов является одним из наиболее важных, от которого зависят технико-экономические показатели этого метода, качество продукта.
Теоретические разработки по распаду и дроблению струй, начатые еще Релеем, получили дальнейшее развитие в работах Г.Н. Абрамовича, А.Г. Блоа, A.A. Витман, А.Н.Колмогорова, К.Вебера, Нукиямы. Танасавы, Маршалла и др [15-18].
Анализ данной проблемы применительно к распылительной сушке позволяет заключить, что диспергирование материалов необходимо исследовать как для создания более совершенных распылительных устройств (распылители монодисперсного распыла с регулируемой формой факела и дисперсностью распыла), так и для определения основных характеристик распыла в зависимости от свойств распыляемого материала, конструктивных и режимных параметров работы распылителей.
Под распылением понимается полное разрушение струи несжимаемой жидкости, сопровождающееся образованием массы полидисперсных капель. При выходе из распылителя на поверхности струи жидкости возникают возмущения. Факторами, определяющими энергию возмущения, являются форма отверстия распылителя, завихрения в распылителе, наличие твердых частиц и пузырьков газа в струе, сжатие и расширение струи по мере ее движения через распылитель, давление, турбулентность потока и др. В результате возмущений на поверхности струи возникают колебания, которые из-за множества возмущений могут накладываться друг на друга, затухать или возрастать. Это определяется физическими параметрами струи и окружающей
среды, а также режимными условиями вытекания жидкости из соплового отверстия. С ростом амплитуды колебаний струи устойчивость ее движения нарушается и она распадается на отдельные части.
При диспергировании жидкости наблюдается два вида распада струи:
- распад, при котором сферическая капля образуется из части струи, заключенной в объеме длины волны, соответствующей максимальной неустойчивости;
- распад при котором с увеличением скорости истечения струи возмущения разных длин волн становятся неустойчивыми. Наступает неустойчивость относительно малых возмущений. При этом внешние силы преодолевают силы поверхностного натяжения, вызывая дробление капель. Под действием этих сил капли принимают форму сплющивающегося эллипсоида, который превращается в жидкое кольцо, распадающееся на капли.
Установлено критериальное соотношение, определяющее области режимов, соответствующих дроблению струи жидкости в потоке газа [13]:
We= const = <*A, (1.1)
где We- критерий деформаций (критерий Вебера); Gv - объемная масса газового потока, кг/м3; v - скорость потока, м/с; dk - диаметр капли жидкости, м; а - поверхностное натяжение капли, Н/м; g - ускорение силы тяжести, м/с .
При распылении жидкости затраты энергии складываются из следующих составляющих на:
образование межфазной поверхности, что связано с преодолением сил поверхностного натяжения;
работу деформации жидкости;
работу против сил вязкости;
сообщение каплям кинетической энергии;
компенсацию гидравлических потерь.
10
Дисперсность распыла зависит от скорости истечения газа из форсунки, физических свойств газа и жидкости, геометрических размеров форсунки, отношения количества газа к количеству распыляемой жидкости. Последний фактор оказывает особенно большое влияние при распылении вязкой жидкости. С увеличением скорости истечения сжатого воздуха (или пара) распыл получается более тонким. Чем больше расход сжатого воздуха на единицу массы распыляемой жидкости, тем равномернее распыл.
Распыленные капли растворов или суспензий подвергаются сушке в сушильных установках. Их сушка является совокупностью процессов переноса теплоты и массы, сопровождающихся перемещением влаги из твердой фазы в газовую. При этом в условном пограничном слое изменение температуры парогазовой среды и давлении паров жидкости происходит по закону прямой линии.
Толщина такого пограничного слоя будет условно определяться расстоянием от поверхности испарения до точки пересечения касательной линии, соответствующей линейному изменению температуры или давления паров жидкости вблизи поверхности испарения, с линией, соответствующей температуре или давлению паров среды. В процессах тепло и массообмена имеется температурный пограничный слой и давления паров жидкости, причем при подводе тепла из среды имеются встречные потоки тепла и массы.
Аэро- и гидродинамика процесса влияет на толщину пограничного слоя, соответственно на интенсивность процесса испарения при всех прочих условиях.
Работы по исследованию внутренних процессов тепло- и массопереноса капель выполнены частично Маршаллом совместно с Ранцем и Чарлоуортом, а дальнейшее развитие они получили в теоретических и экспериментальных исследованиях М.В. Лыкова, Б.И. Леончика, A.A. Долинского. Исследования, проведенные A.A. Долинским по испарению одиночных капель различных растворов, показали значительное влияние природы раствора и внутренних
11
процессов переноса на интенсивность и температуру испарения капли, на длительность процесса обезвоживания и теплообмен с внешней средой. Кроме того, скорость испарения капли раствора значительно отличается от скорости испарения чистой жидкости.
К.Д. Малецкая предложила классифицировать растворы как объект распылительной сушки по температурной кривой и кривой убыли массы капли на три группы [24].
К первой группе следует отнести различные водные растворы веществ или суспензий, процесс обезвоживания которых протекает в основном при температуре равновесного испарения раствора.
Интенсивность внешнего тепловлагообмена между единичной каплей и газовой средой не лимитируется при определенных допущениях скоростью внутреннего тепломассопереноса. К этой группе отнесены все высоковлажные растворы (90-95%), относительная продолжительность обезвоживания капель которых в сушильной стадии составляет мене 0,25.
Ко второй группе можно отнести растворы, для которых сушильная стадия обезвоживания капель протекает при монотонном повышении температуры. Это, как правило, растворы с довольно высокой начальной концентрацией растворенного вещества, возможно, даже близкой к концентрации насыщения. При обезвоживании капель таких растворов образующаяся твердая фаза по структурным и потенциалопроводным характеристикам относится к капиллярнопористым материалам, лимитирующим внутренние процессы теплопереноса, но при этом не возникают значительные температурные и концентрационные градиенты (tki ,рис. 1.1а).
При сушке капель растворов, относящихся к третьей группе, внутренние процессы переноса в значительной степени лимитируют интенсивность внешнего тепловлагообмена и существенно влияют на продолжительность сушильной стадии и общего времени обезвоживания. К
12
ним относятся растворы веществ, которые при сушке образуют твердую фазу по структуре, относящуюся к классу коллоидных или коллоидных капиллярно-пористых тел (пищевые порошки и др.).
При этом обезвоживание капель растворов осуществляется при "жестких" режимах сушки. Диффузионное сопротивление образующейся твердой фазы на поверхности капли в сушильной стадии настолько велико, что приводит к возникновению значительных температурных и концентрационных градиентов по сечению капли (tki, t\a, tk3 рис. 1.16).
Интенсивность испарения влаги из капель зависит от внешних условий и форм связи влаги с материалом. В первый период сушки ее интенсивность определяется только внешними условиями (скоростью, температурой и относительной влажностью сушильного газа, скоростью капли, ее геометрическими размерами и начальным влагосодержанием), поскольку убыль влаги с поверхности капли, через пограничный слой не превышает величину переноса влаги внутри капли.
При соприкосновении капли с горячим воздухом в сушильной башне температура капли повышается и начинается испарение влаги с ее поверхности. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры капель до температуры мокрого термометра (период прогрева). При этом интенсивность испарения становится наивысшей.
Второй период сушки характеризуется снижением скорости сушки при тех же внешних условиях. Интенсивность сушки определяется главным образом внутренними условиями, т.е. переносом влаги и тепла капли, и зависит от форм связи влаги с материалом.
Согласно классификации П.А. Ребиндера, различают химическую, физико-химическую и физико-механическую формы связи влаги [19]. Для удаления одних видов влаги требуется только быстрый подвод тепла к продукту и создание развитой поверхности контакта продукта с
13
теплоносителем, других - определенное время для диффузии влаги к поверхности частиц и последующего ее испарения.
Пока не найдено строгого аналитического решения вопроса связи влаги с материалом. Большинство исследователей при изучении этой проблемы отдают предпочтение методу анализа изотерм сорбции и десорбции. Для изучения сорбции и десорбции влаги материалом известны статические и динамические методы исследования. Статические методы основаны на установлении равновесной влажности образцов в эксикаторах над насыщенными растворами солей или над смесями серной кислоты и воды. Эти методы длительные и неточные. Более совершенными являются динамические методы, они позволяют определять изотермы сорбции и десорбции параллельно нескольких образцов. Эти методы основаны на организации воздушных потоков определенной влажности и температуры над продуктом [20].
Различный характер связи влаги на отдельных участках изотерм сорбции и десорбции не позволяет теоретически вывести одно уравнение [21]. П.А. Ребиндер, пользуясь основными термодинамическими соотношениями, предложил количественную характеристику энергии связи с материалом и в качестве единственного критерия принял величину свободной энергии изотермического обезвоживания. Энергия связи, выраженная работой Ф, которую необходимо затратить для отрыва 1 моля воды от материала (без изменения его состава), выражается уравнением:
Ф=КТ1пРн/Рп=-1Шпф , (1.2)
где Рн - давление насыщенного пара свободной воды; Рп - парциальное давление равновесного пара воды над материалом; ф - относительная влажность воздуха.
При обезвоживании материала величина Ф постепенно увеличивается, так как с уменьшением влажности материала увеличивается доля удаляемой
14
влаги, которая связана адсорбционно, - когда начинает удаляться химически связанная влага, величина Ф резко возрастает.
Кинетика переноса тепла и массы вещества в капиллярно-пористых телах определяется разностью потенциалов переноса. Известно, что по-
^ тенциалом переноса парообразной влаги во влажном воздухе является
химический потенциал, который зависит от температуры и парциального давления пара. Следовательно, в области гигроскопического состояния химический потенциал парообразной влаги может быть выражен через влагосодержание и температуру продукта. В области влажного состояния продукта химический потенциал, рассчитанный на единицу массы
41' поглощенной воды, равен химическому потенциалу свободной воды, т.е. явля-
ется величиной постоянной [19].
По аналогии с удельной теплоемкостью введено понятие удельной изотермической влагоемкости:
Cm=(5Uy/50)T (1.3)
где (5Uy/89) - частная производная от удельного влагосодержания по потенциалу влагопереноса при постоянной температуре.
Потенциал влагопереноса при постоянной температуре и влагоемкости является линейной функцией влагосодержания. Единица измерения удельной влагоемкости - кг/(кг°М), где °М - массообменный (влагообменный) градус.
Таким образом, в материалах с различным составом и структурой преобладает та или иная форма связи влаги, поэтому при их изучении 0 необходимо применять соответствующий метод исследования изотерм
сорбции и десорбции.
Подавляющая часть влаги, удерживаемая в растворах и суспензиях веществами, из которых готовят пищевые порошки, относится к физико-химической форме связи. Такая влага при температуре капель (частиц) выше
15
100°С превращается в пар, который диффундирует к поверхности капли (частицы) и только затем испаряется.
Режим сушки, особенно температура, сильно влияет на структурообразование и размер частиц. Благодаря увеличивающейся концентрации нелетучих компонентов капли образуется капиллярно-пористая структура, через которую мигрирует влага либо в форме капиллярной влаги, либо в форме пара к поверхности капли (частицы). Внутри капель могут возникать сферические пустоты или уплотненная пористая структура из сферических частиц.
В течение второго периода сушки растворов II группы температура *< капли постепенно повышается, достигая температуры сушильного
пространства. При достижении этой температуры сушка дальше не идет. Кривые сушки растворов III группы имеют несколько (I, II, III) участков, соответствующих различным периодам этого процесса (рис. 1.1) Наступивший период падающей скорости сушки (III) характеризуется дальнейшим снижением влажности продукта, которая на последнем этапе сушки приближается к равновесной [13].
При анализе процесса сушки практическое значение имеет только та влага, которая в ходе этого процесса может быть удалена. Влажность обычно рассчитывают как отношение массы влаги к массе всего продукта (массовая доля влаги W,%) или как отношение массы влаги к массе абсолютно сухого продукта (влагосодержание W0, %)
W=100GB/Gn=100 Gb/( Gc + Gb) (1.4)
(If
Wc=100Gb/Gc, (1.5)
где Gb, Gn, Gc - масса соответственно влаги, продукта и абсолютно сухого продукта, кг.
16
Продолжительность сушки капли можно сопоставить с продолжительностью ее движения в объеме сушильной камеры до контакта со стенкой. В результате анализа процесса конвективной сушки капли коллоидного концентрированного раствора в статических условиях получено уравнение для определения продолжительности сушки [22]:
г = ¦
где q - удельная теплота парообразования; рж- начальная плотность раствора; Wo и Wk - начальная и конечная влажность продукта; <3к -диаметр капли; А,р - коэффициент теплопроводности газовой пленки вокруг капли; tr и tM - температура газа и раствора.
Таким образом, при испарении жидкости из капель мы имеем как бы два взаимообусловленных процессов - массообмена и теплообмена. С точки зрения динамики процесс тепло- и массообмена между каплями и газовой средой можно разделить на неустановившийся и установившийся режимы. Установившийся режим начинается с того момента, когда температура поверхности капли становится равной температуре мокрого термометра. В распылительных установках при высокодисперсном распыле
неустановившийся режим тепло- и массообмена занимает обычно небольшую долю всего процесса испарения капель.
Процесс испарения большого количества капель в потоке газа более сложный по сравнению с испарением единичной капли, поэтому его можно оценить косвенно (ориентировочно).
Необходимо отметить, что для выбора правильного режима сушки растворов необходимо учитывать не только конструктивные параметры сушилки, но и в большей степени физико-химические, структурно-
17
механические и тепло-физические свойства сухого продукта распылительной сушки.
S, М,
мм2;!
мг
б
I II ь III 3 /^ ^кон г------------— А—
*^с--- Ki\~
KI ;
Рис. 1.1 Кинетические кривые при испарении и сушке капель растворов а - 2 группы; б - 3 группы: I - M=f(i); 2 - tk=f(i); 3 - S=f(i).
В настоящее время в пищевой промышленности наряду с увеличением объемов производства происходят изменения в структуре ассортимента. Большое внимание уделяется рациональному и комплексному использованию различных видов сельскохозяйственного сырья, с использованием которых создаются новые виды пищевых продуктов.
Одним из перспективных направлений считается производство сухих продуктов в виде крупки, хлопьев, гранул и порошков.
Ассортимент порошков довольно разнообразен: овощные, плодовые, ягодные, из молока и злаковых культур.
Применение этих порошков позволяет улучшить и расширить ассортимент разнообразных продуктов: пищевых концентратов, сухих смесей, кондитерских и хлебобулочных изделий, пенообразных соусов и напитков, молочных продуктов. Разработанные современные способы теплого обезвоживания сырья обеспечивают получение готовых продуктов высокого качества с максимальным сохранением пищевой и биологической ценности при их невысокой стоимости. |
