Исследование кинетики обезвоживания пищевого покрытия гранул

УДК 664.8.047

Н. П. Васина, М. Х. Джуманов, В. Н. Лысова

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ПИЩЕВОГО ПОКРЫТИЯ ГРАНУЛ

Представлены результаты изучения кинетики сушки пищевого покрытия гранул, в том числе кривые скорости сушки на основе экспериментальных данных. Исследован механизм тепломассопереноса на основе кривых скорости сушки пищевой оболочки гранул. Экспериментальные исследования кинетики сушки защитной оболочки в кипящем слое проводились по полному многоуровневому многофакторному плану с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки экспериментальных данных. Анализ литературы и постановочные эксперименты позволили установить, что основными факторами, влияющими на интенсивность тепломассообмена в процессе конвективной сушки в псевдо-ожиженном слое, являются начальная влажность продукта, температура и скорость сушильного агента. Оптимальные значения указанных параметров: начальная влажность пищевого состава для получения оболочки - 0,95 кг/кг; скорость потока сушильного агента - 5,5 м/с; температура сушильного агента - 298 К. Исследования кинетики конвективной сушки покрытия гранул проводились на экспериментальной установке. В ходе экспериментов при различных температурных режимах при помощи аналитических весов осуществлялась регистрация убыли массы образцов, периодически извлекаемых из зоны сушки. На основе аппроксимации экспериментальных данных получены зависимости влажности от времени сушки. Для математического описания кинетики процесса сушки покрытия по экспериментальным данным были получены аппроксимирующие функциональные зависимости скорости сушки оболочки.

Ключевые слова: тепломассообмен, конвективная сушка, гранулы, оболочка.

Введение

При производстве гранулированных продуктов в пищевой промышленности гранулы часто покрывают оболочками, в основном с целью придания привлекательного внешнего вида (выравнивание неровностей поверхности, цвет) и обеспечения требуемого технологией вкуса [1]. Процесс нанесения покрытия на поверхность гранул состоит из следующих стадий:

1. Псевдоожижение слоя гранул.

2. Распыление пищевого состава в псевдоожиженный слой гранул для получения покрытия.

3. Формирование слоя пищевого покрытия на поверхности гранул.

4. Сушка слоя пищевого покрытия.

Изучение физических механизмов, которые обусловливают внутренний массоперенос, с целью определить его закономерности при обезвоживании путем исследований кинетики процесса сушки пищевого покрытия гранул, проводилось в [2-5]

Методы описания кинетики процесса сушки можно классифицировать следующим образом [6]:

1) теоретические (аналитические и численные), в основу которых положено решение дифференциальных уравнений тепломассопереноса;

2) полуэмпирические - в основе которых лежит решение системы уравнений тепломассообмена при использовании методов обобщения и упрощений, свойственных, например, теории физического подобия;

3) эмпирические.

Сложность решения дифференциальных уравнений тепломассопереноса (ввиду их нелинейности) обусловливает целесообразность использования различных эмпирических и полуэмпирических методов [3, 7].

Основные полуэмпирические методы можно разделить по следующим признакам [5, 6]:

- аппроксимируется рассредоточение влагосодержания по всему объему тела;

- аппроксимируется кривая скорости сушки;

- численными методами решается система дифференциальных уравнений тепломассопереноса [7].

Эмпирические функции могут быть использованы для приведения системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса к уравнению массопроводности и построению на его основе математического описания процесса сушки [5] или к решению задач кинетики сушки на основе уравнения теплопроводности [8, 9]. Максимальный эффект использования методов кинетического расчета с помощью экспериментальных кривых сушки достигается в случае их получения

для малого объема аппарата. Справедливое значение для всего аппарата определяется путем последующего присоединения уравнений материального и теплового баланса к микрокинетическому уравнению. В данном случае имеется возможность обосновать решение задачи масштабирования - переход от результатов лабораторных исследований к промышленным аппаратам.

Экспериментальное исследование сушки пищевого покрытия гранул

В ходе экспериментов по изучению кинетики сушки при различной начальной влажности состава для получения пищевого покрытия гранул исследуемый образец периодически извлекался из сушильной камеры специальным пробоотборником, изготовленным из металлической мягкой сетки, и взвешивался при помощи и весов (2 класс точности по ГОСТ 24104-88).

Экспериментальное изучение кинетики сушки пищевой оболочки в кипящем слое проводилось на основе полного многофакторного плана с последующей обработкой экспериментальных данных. Анализ источников [6, 7, 10] и эксперименты показали, что основными факторами, влияющими на теплообмен при конвективной сушке в псевдоожиженном слое, являются начальная влажность продукта , кг/кг, температура Т, К, и скорость V, м/с, сушильного агента.

Установлено, что оптимальными значениями указанных параметров являются:

- начальная влажность пищевого состава для получения оболочки = 0,95 кг/кг;

- скорость потока сушильного агента V = 5,5 м/с;

- температура сушильного агента Т = 298 К.

Диапазон варьирования температуры теплоносителя Тс.а = 298-308 К. Верхний предел Тс.а = 308 К установлен на основании анализа качественных характеристик получаемых покрытий. При превышении указанной температуры наблюдались эффекты агломерации слоя гранул.

Значения текущей влажности в покрытии w, кг/кг, рассчитывались по формуле

^ = щ - т (1 - ) щ

где щн - начальная масса образца продукта, кг; Щ1 - текущая масса продукта, кг; - начальная влажность, кг/кг.

На основе аппроксимации экспериментальных данных, представленных точками на рис. 1, получены зависимости влажности w, кг/кг, от времени сушки т, с. Результатом математической обработки кривых сушки явились аппроксимирующие функции влажности от времени w = Дт).

2 3

\ \

\ N

\ > \

> \

1 \

\

--

36 42 X. с

Рис. 1. Экспериментальные кривые сушки пищевой оболочки при Т = 298 К: 1 - при wн = 0,85 кг/кг; 2 - при wн = 0,9 кг/кг; 3 - при wн = 0,95 кг/кг

Кривые сушки отображают зависимость влажности w от времени обезвоживания и позволяют получить кривые скорости сушки.

Анализ данных эксперимента по кинетике сушки. Механизм тепломассопереноса

На рис. 2 представлены кривые скорости сушки пищевой оболочки гранул при различных значениях температуры сушильного агента, полученные дифференцированием уравнений кривых обезвоживания.

Для удобства расчета и анализа желательно, чтобы оба аргумента, по которым ведется

дифференцирование, возрастали в процессе обезвоживания, а функция — не была отрицатель-

дт

ной ввиду уменьшения влажности продукта в процессе сушки, в связи с чем необходимо заменим влажность на концентрацию сухих веществ, учитывая формулу их связи w = 1 - c,

_ дc дт дт

Рис. 2. Кривые скорости сушки пищевой оболочки гранул при Т = 298 К: 1 - при wн = 0,85 кг/кг; 2 - при wн = 0,9 кг/кг; 3 - при wн = 0,95 кг/кг

Анализируя кривые скорости сушки, можно выявить механизм переноса влаги [2, 3, 7].

Сушку исследуемой оболочки на водной основе можно разделить на две основные стадии: жидкостной диффузии (перенос влаги в самой оболочке), газовой диффузии и фазового превращения первого рода, т. е. перехода влаги из жидкого состояния в пар.

Первая стадия сушки характеризуется высоким содержанием влаги в оболочке и большими значениями скорости жидкостной диффузии. В течение этого периода происходит испарение несвязанной влаги с поверхности материала. По мере подсыхания покрытия скорость диффузии влаги в оболочке снижается, что, в свою очередь, снижает скорость сушки. В нашем эксперименте на рис. 2 при с ~ 0,08-0,16 кг/кг на кривых скорости сушки присутствует точка перегиба, которая характеризует изменение механизма внутреннего массопереноса.

Затем наблюдается аномальный рост скорости, объясняемый внутренней структурой оболочки, которую можно отнести к капиллярно-пористым коллоидным телам. Осмотическая, им-мобилизационная и структурная влага - свободная влага, которая механически удерживается осмотическими силами и стенками полупроницаемых оболочек. Рост скорости сушки в начале процесса обезвоживания определяет испарение влаги преимущественно внутрь частицы с образованием пузырька пара и пленки и обусловлен снижением энергии связи влаги с материалом из-за разрушения клеточных мембран или мицелл при повышении внутреннего давления. Перемещение влаги через пленки структуры к поверхности частицы происходит в основном в виде пара, скорость диффузии усиливается градиентом давления пара.

Заключение

Анализ литературы и эксперименты в ходе исследований кинетики обезвоживания пищевого покрытия гранул показали, что основными факторами, влияющими на теплообмен при конвективной сушке в псевдоожиженном слое, являются начальная влажность продукта, температура и скорость сушильного агента. Установлены оптимальные значения указанных параметров. Дифференцированием уравнений кривых обезвоживания получены кривые скорости сушки пищевой оболочки гранул при различных значениях температуры сушильного агента.

Анализ кривых скорости сушки позволил установить, что процесс сушки исследуемой оболочки на водной основе проходил по принципам известного механизма переноса влаги, в рамках которого процессе сушки можно разделить на две основные стадии.

Первая стадия характеризуется высоким содержанием влаги в оболочке и большими значениями скорости жидкостной диффузии. Подсыхание покрытия приводит к снижению скорости диффузии влаги в оболочке и, как следствие, к снижению скорости сушки.

Затем наблюдается рост скорости сушки, обусловленный снижением энергии связи влаги с материалом из-за разрушения клеточных мембран или мицелл при повышении внутреннего давления. Перемещение влаги через пленки структуры к поверхности частицы происходит в основном в виде пара, скорость диффузии усиливается градиентом давления пара.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Флисюк Е. В. Исследование нанесения пленочных покрытий на таблетки в аппаратах барабанного типа «coater» / Е. В. Флисюк. Химико-фармацевтический журнал. 2004. Т. 38, № 10. С. 67-69.

2. Алексанян И. Ю. Развитие научных основ процессов высокоинтенсивной сушки продуктов животного и растительного происхождения: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / И. Ю. Алексанян. М.: МГУПБ, 2001. 52 с.

3. Лыков А. В. Тепломассобмен / А. В. Лыков. М.: Энергия, 1978. 478 с.

4. Максименко Ю. А. Совершенствование тепломассообменных процессов при сушке кормовых дрожжей в диспергированном состоянии: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Ю. А. Максименко. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2005. 21 с.

5. Рудобашта С. П. Исследование кинетики процесса конвективной сушки с учетом массопровод-ности: дис. ... канд. техн. наук / С. П. Рудобашта. М.: МИХМ, 1967. 136 с.

6. Рудобашта С. П. Математическое моделирование процесса сушки дисперсных материалов / С. П. Рудобашта // Изв. Акад. наук. Энергетика. 2000. № 4. С. 98-109.

7. Лыков А. В. Теория сушки / А. В. Лыков. М.: Энергия, 1968. 471 с.

8. Лебедев П. Д. Расчет и проектирование сушильных установок / П. Д. Лебедев. М.: Госэнергоиз-дат, 1963. 320 с.

9. Лебедев П. Д. Высокотемпературная сушка материалов под действием внутреннего градиента давлений пара / П. Д. Лебедев // Тр. Моск. энерг. ин-та. 1958. Вып. 30. С. 169-178.

10. Маклауд Грэм С. Современные решения по нанесению покрытий на таблетки / Грэм С. Маклауд // Фармацевтические технологии и упаковка. 2001. № 6-7 (84-85).

Статья поступила в редакцию 15.10.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Васина Наталия Павловна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; ассистент кафедры «Технологические машины и оборудование»; zolinatashka@mail.ru.

Джуманов Мирлан Хадиржанович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет, обособленное структурное подразделение «Вол-го-Каспийский морской рыбопромышленный колледж»; студент, специальность «Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования»; zolinatashka@mail.ru.

Лысова Вера Николаевна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; vnl55@yandex.ru.

N. P. Vasina, M. Kh. Dzhumanov, V. N. Lysova

STUDY OF KINETICS OF DEHYDRATION OF FOOD COATING GRANULES

Abstract. The paper presents the results of the study of the drying kinetics of food coating granules, including the curves of the drying rate, on the basis of experimental data. The mechanism of heat and mass transfer based on the velocity curves of drying food shell granules is examined.

The experimental studies of the kinetics of drying of the protective shell in the boiling layer were carried out in accordance with the full multilevel multifactor plan using the probability and statistical methods for planning and processing of experimental data. The analysis of the literature and the production experiments have allowed to establish that the main factors influencing the intensity of heat and mass transfer during the convective drying in the fluidized bed are the following: the initial moisture content of the product, the temperature and the velocity of the drying agent. The optimal values of these parameters are the following: the initial moisture content of the food composition to obtain a shell - 0.95 kg/kg, the flow rate of the drying agent - 5.5 m/s, the temperature of the drying agent - 298 K. The study of kinetics of convective drying of the coating of the granules was conducted experimentally. During the experiments at different temperatures, using the analytical balance the registration of the decrease of the mass of the samples periodically extracted from the zone of drying. The dependences of humidity on the drying time are received on the basis of approximation of the experimental data. For the mathematical description of the kinetics of the drying process of the coating according to the experimental data, the approximate functional dependences of the rate of drying of the shell are obtained.

Key words: heat and mass transfer, convective drying, granules, shell.

REFERENCES

1. Flisiuk E. V. Issledovanie naneseniia plenochnykh pokrytii na tabletki v apparatakh barabannogo tipa «coater» [Study of the application of the film coatings on tablets in the drum type "coater"]. Khimiko-farmatsevticheskii zhurnal, 2004, vol. 38, no. 10, pp. 67-69.

2. Aleksanian I. Iu. Razvitie nauchnykh osnov protsessov vysokointensivnoi sushki produktov zhivotnogo i rastitel'nogo proiskhozhdeniia. Avtoreferat dis. dok. tekhn. nauk [Development of scientific bases of the processes of high-intensity drying of products of animal and vegetable origin]. Moscow, MGUPB, 2001. 52 p.

3. Lykov A. V. Teplomassobmen [Heat exchange]. Moscow, Energiia Publ., 1978. 478 p.

4. Maksimenko Iu. A. Sovershenstvovanie teplomassoobmennykh protsessov pri sushke kormovykh drozhzhei v dispergirovannom sostoianii. Avtoreferat dis. kand. tekhn. nauk [Improving heat and mass transfer processes during drying of fodder yeast in dispersed state]. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2005. 21 p.

5. Rudobashta S. P. Issledovanie kinetiki protsessa konvektivnoi sushki s uchetom massoprovodnosti. Dis. kand. tekhn. nauk [Study of the kinetics of the convective drying process, taking into account misoprostole]. Moscow, MIKhM, 1967. 136 p.

6. Rudobashta S. P. Matematicheskoe modelirovanie protsessa sushki dispersnykh materialov [Mathematical modeling of drying of dispersed materials]. Izvestiia Akademii nauk. Energetika, 2000, no. 4, pp. 98-109.

7. Lykov A. V. Teoriia sushki [Theory of drying]. Moscow, Energiia Publ., 1968. 471 p.

8. Lebedev P. D. Raschet i proektirovanie sushil'nykh ustanovok [Calculation and design of drying systems]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1963. 320 p.

9. Lebedev P. D. Vysokotemperaturnaia sushka materialov pod deistviem vnutrennego gradienta davlenii para [High-temperature drying of materials under the action of internal pressure gradients pair]. Trudy Mosk-ovskogo energeticheskogo instituta, 1958, iss. 30, pp. 169-178.

10. Maklaud Grem S. Sovremennye resheniia po naneseniiu pokrytii na tabletki [Modern coating on the pill]. Farmatsevticheskie tekhnologii i upakovka, 2001, no. 6-7 (84-85).

The article submitted to the editors 15.10.2014

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Vasina Natalia Pavlovna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Assistant of the Department "Technological Machines and Machinery"; zolina-tashka@mail.ru.

Dzhumanov Mirlan Khadirzhanovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Autonomous Organization Department "Volgo-Caspian Marine Fishery College"; Student, Specialty "Installation and Maintenance of Industrial Equipment"; zolina-tashka@mail.ru.

Lysova Vera Nikolaevna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Technological Machines and Machinery; vnl55@yandex.ru.