Физико-химические и теплофизические свойства кормовых продуктов

УДК 664.144

Ю. А. Максименко, С. В. Синяк Астраханский государственный технический университет

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОРМОВЫХ ПРОДУКТОВ

Одной из стратегических задач исследований является использование местных ресурсов Астраханской области для получения пищевых и кормовых продуктов, имеющих спрос и конкурентоспособность на рынке РФ. Исследовались в основном не традиционно используемые, а «бросовые» и неутилизируемые виды сырья, а также экологически вредные и нерентабельные, например камыш, рогоз, осока, водные обрастания (речные водоросли), рисовая солома и шелуха, помет с.-х. животных, спиртовая барда, пивная дробина.

В разработках использовались и традиционные виды сырья, что было продиктовано целью - получить новые, более перспективные, обладающие улучшенными качествами и с более низкой себестоимостью пищевые и кормовые продукты.

Основной упор был сделан на кормопроизводство из местного сырья с использованием современных методов обработки и биосинтеза, а также на нетрадиционные продукты питания с новыми органолептическими свойствами.

Статика процессов сушки является одним из первых этапов при разработке и исследовании различных способов обезвоживания, базой для научно обоснованного анализа кинетики процессов влагоудаления.

Исследования термодинамических закономерностей взаимодействия кормовых продуктов на основе риса, кукурузы, гречки, спиртовой барды проводились тензометрическим методом.

На рис. 1 приведены изотермы сорбции экспандированной кукурузы при различных температурах. Учитывая, что растительные продукты являются сложными биополимерными системами, к ним можно применить основные положения физической химии полимерных и белковых веществ. Изотермы экспандированной кукурузы можно отнести к типу изотерм со значительным влиянием на сорбционную активность различных полярных групп.

Анализ изотерм сорбции позволил установить и количественно оценить характер изменения термодинамических составляющих уравнения Гиббса - Гельмгольца

AF = AE - T-AS,

где AS, AE - соответственно изменения энтропии и внутренней энергии по влагосодержанию Up при Р, T = const.

На изотерме сорбции экспандированной кукурузы (рис.1) можно выделить пять характерных участков (зон), разделенных точками перегиба.

1

l

/

h V

/ 1 - 7=29 3 К, 2 - 7=30 3 К

Рис.1. Изотермы сорбции экспандированной кукурузы

Характерные участки, которые, как и точки перегиба, особенно наглядно видны при построении зависимости А„ = А(ир) в полулогарифмических координатах. В этом случае изотерма 1пЛ№ = АЩ) предстает в виде ломаной линии.

Продифференцировав (1), имеем

(_ЭДР Л dUp j

т ,р

( ЭДЕ ^

ЭUP j

- т

T,P

r дДБ ^ Эир j

т, P

На основании (2) получены полуэмпирические зависимости свободной d(AF)fdUp), внутренней (d(AE)/dUp), связанной T-(d(AS)/dUp) энергии и термоградиентного коэффициента dp от влагосодержания (рис. 2) (концентрации сухих веществ с) и температуры T, позволившие сделать ряд обобщений и технологических рекомендаций для пищевых продуктов. Так, для экспандированной кукурузы влажность границы первой зоны Ulk = 0,099; второй - U2k = 0,119; третьей - U3k = 0,14; четвертой - U4k = 0,187. Тогда при U < U1k :

0F _ (-0,03930464-T2 + 35,49209282-T )-U +

dUr

= Дц = RTinAw = R

T

= -T  R

(- 0,03930464- T - 2 + 35,49209282)- U +

+

g =

+

(0,012825262 - T - 2 - 7,05571516) ; (- 0,03930464 - T2 + 35,49209282 - T) ’

при U1k < U < U2k

ЭF

ЭUr

_ Дц _ RTlnAw _ R

T •

ЭU

_ -T • R •

p j

(0,77531695 • T2 - 216,01086635 • T)• U + (- 0,06957051-T2 +18,36332643 • T ) (0,77531695 • T • 2 - 216,01086635) • U +

+

+

g _

(- 0,06957051 • T • 2 +18,36332643) ; (0,77531695• T2 -216,01086635• T)’

при U2k < U < U3k : BF

Эи

• _ _ RTlnAw _ R

T •

ЭU

_ -T • R •

pj

5

і

+

(- 0,51686636 • T • 2 +167,46470058) U +

+

_ (- 0,51686636 • T • 2 +167,46470058) U ' _ (- 0,51686636• T2 +167,46470058• T) (0,07453213 • T • 2 - 24,43778409) ;

(- 0,51686636 • T2 +167,46470058 • T ) ’

+

+

при U3k < U < U4k : ЭF

ЭUp

_ _ RTlnAw _ R

+

T •

ЭU

_ -T • R •

+

(0,06365501^T2 -13,30389663• T)u + (- 7,71499 • 10-3 • T2 +1,15523907 • T) (0,06365501 • T • 2- 13,30389663)U +

+

(- 7,71499 • 10-3 • T • 2 +1,15523907);

(0,06365501 • T2 -13,30389663 • T) ’

+

при U4k < U : ЭF

Эи.

_ _ RTln^ _ R •

T •

Эи

_ -T • R •

p j

(0,0817448276 • T2 - 22,1346827628 • T)• U + (- 0,0134424828 • T2 + 3,4935922884 • T ) (0,0817448276 • T • 2 - 22,1346827628) U +

+

+

5 _

(- 0,0134424828 • Т • 2 + 3,4935922884) (0,0817448276 • Т2 - 22,1346827628 • Т)'

Рис. 2. Зависимость термоградиентного коэффициента 5р от влажности для продукта «Экспандированная кукуруза»

Полученная зависимость энтропийной составляющей внутренней энергии для кукурузы, как и для ряда других продуктов, свидетельствует

о значительной гибкости макромолекул и наличии полупроницаемых мембранных оболочек (клеточных оболочек, стенок мицелл) и структурном и осмотическом механизме их взаимодействия с водой. Установлено, что для интенсификации процесса сушки подобных продуктов целесообразно диспергирование (измельчение, кипящий слой, увеличение пористости путем экспандирования и т. п.), применение поверхностных (со стороны отвода влаги) или объемных способов энергоподвода.

Результаты исследований и полученные зависимости позволяют точно реализовать математические модели тепломассопереноса при расчетах и оптимизации процесса сушки.

Для решения дифференциального уравнения переноса тепла и научного анализа процесса сушки необходимы изучение и расчет теплофизических характеристик (ТФХ) - коэффициентов температуропроводности а, теплопроводности 1 и теплоемкости с в зависимости от температуры и влажности продукта.

Определение теплофизических параметров объектов проводилось методом регулярного режима. Расчет полной удельной теплоемкости выполнялся по закону аддитивности при изменении температуры и влажности продукта.

В результате получены аппроксимирующие уравнения функций ст, X, а _ /(Ж,Т) (Ж- влажность (1 - Ж = с - массовая концентрация сухих веществ); Т - температура) в интервале Т = 283^353 К и влажности Ж = 0-1 кг/кг.

Например:

- коэффициент удельной массовой теплоемкости кормовых дрожжей

ст(Ж,Т) = (-12,502 • Т + 2035,196) • Ж2 + ;

+ (8,663 • Т +1954,876) • Ж + (3,83 • Т +199,06) ’

- коэффициент теплопроводности

ЦЖ, Т) = 0,44 • Ж + 0,0007 • Т - 0,14;

- коэффициент температуропроводности

а(Ж, Т) =-----, Т)---------.

' 7 Ст

Для определения плотности продукта при различной влажности поР • Р

лучено уравнение по формуле аддитивности: р = м в

Рв • (1 -W) + рм •W

гдерм - истинная плотность вещества (материала); рв - плотность воды.

Процесс сушки протекает практически без изменения объема структуры из-за высокой интенсивности. При постоянном объеме это приводит к снижению её плотности.

Для получения зависимости р от W в реальном процессе сушки необходимо определиться в значении исходной плотности продукта. Для определения текущей р” при V = const воспользуемся формулой аддитивности р” = Р” (|- W ).

1 - W

Определить плотность кормовых дрожжей по формуле аддитивности (используя долю массы) не представляется возможным, так как объем раствора при данных концентрации (влажности) и температуре не равен сумме объемов его компонентов. Поэтому зависимость р = f (w,T) обычно представляется в виде таблиц, графиков и функциональных зависимостей (формулами) на основе экспериментальных данных.

Плотность определялась в зависимости от агрегатного состояния, влажности и структуры продукта с помощью набора вискозиметров и методом взвешивания - вытеснения. Результаты обработки экспериментальных данных представлены в таблице.

Определение насыпной плотности кормовых дрожжей

Величина Единица измерения Номер эксперимента

1 2 3 4 5

Объем, V м3 0,00002 0,00005 0,00007 0,00008 0,00009

Масса, т кг 0,008134 0,020734 0,028751 0,032726 0,037780

Плотность, р кг/м3 406,7 414,68 410,729 409,075 419,778

Среднее значение плотности кг/м3 412,1924

Функциональная зависимость плотности кормовых дрожжей от влажности и температуры (на основе экспериментальных данных) следующая:

p(W,T) = (3,12816073-10-4 • T4 -0,418838442• T3 +

+ 210,089788 • T2 - 46786,185 • T + 3902703,72) • W2 -

- (2,930802531 • 10-4 • T4 - 0,3927111688 • T3 +197,1317671- T2 -

- 43932,3805 • T + 3667595,612) • W +1380.

Данные о теплофизических и физико-химических свойствах кормовых продуктов, полученные в результате исследований, позволяют реализовать математическую модель и оптимизировать процесс сушки.

Получено 21.02.05 PHYSICAL-CHEMICAL PROPERTIS OF FEEDSTUFF

Yu. A. Maksimenko, S. V. Sinyak

Experimental data on physical-chemical and thermal properties are presented for expandered, pelleted and powdered feedstuff as well as for products of microbiological synthesis for optimization of preliminary treatment and drying.