Исследование теплофизических свойств пива "Медовое"

Исследование теплофизических свойств пива «Медовое»

А. Ф. Сорокопуд, Т. Г. Михайлова, Н. Г. Третьякова

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности

В целях расширения ассортимента крепких алкогольных напитков в ряде случаев необходимо решать задачу деалкоголизации спиртовых соков или слабоалкогольных напитков с почти (или полностью) истекшим сроком реализации.

В наших исследованиях мы использовали пиво «Медовое» (ТУ 9184034020683152-2005), содержащее 4,5 об. % этилового спирта, для его деалкоголизации и последующего концентрирования водно-спиртового конденсата в роторном распылительном испарителе (РРИ) и роторном распылительном ректификаторе (РРР). Это позволило оценить возможность использования данного оборудования для аппаратурного оформления указанных процессов [1].

Пиво «Медовое» содержит мед — продукт, богатый множеством целебных веществ. Присутствие меда придает пиву солодо-медовый аромат, повышает пищевую ценность и создает специфические органолептические показатели [2].

Для расчета процессов тепло- и мас-сообмена в процессе деалкоголизации и разработки технологии производства пива «Медовое» необходимо знать теплофизические свойства пива до и после деалкоголизации, степень их изменения в процессе деалкоголизации,

поскольку они характеризуют параметры продукта вблизи точек фазовых переходов и в значительной мере предопределяют габаритные размеры создаваемого технологического оборудования. Такие сведения в литературе отсутствуют.

В данной работе приведены результаты экспериментального исследования теплофизических характеристик: плотности р, динамического коэффициента вязкости ц, поверхностного натяжения а, коэффициента теплопроводности X, средней удельной теплоемкости c пива «Медовое» до и после деалкоголизации. Пиво «Медовое» содержало 4,5 об. % спирта; 4,2 мас. % сухих веществ, кислотность — 2 мас. % в пересчете на уксусную кислоту. В деалкоголизиро-ванном пиве, полученном в результате выпаривания пива «Медовое» при вакууме порядка 4,5103 Па, содержание алкоголя составляло 0,8-0,85 об. % спирта, сухих веществ — 4,8 мас. %.

ц-106, кПа-с 1,35

0,65 -I-1-1-1-1-1-1-1

20 25 30 35 40 45 50 55

^ °С

— пиво «Медовое» после деалкоголизации

— пиво «Медовое»

Рис. 2. Зависимость динамического коэффициента вязкости пива «Медовое» до и после деалкоголизации от температуры

При исследовании свойств диапазон температур составлял 20...50 °С.

Плотность определяли пикноме-трическим методом, динамическую вязкость — стеклянным капиллярным вискозиметром типа ВПЖ-3, величину поверхностного натяжения — по методу Ребиндера, коэффициент теплопро-

водности — сравнительным методом Христианса [3]. Последний метод основан на сравнении исследуемых образцов с эталоном, обладающим хорошо изученной и не подвергающейся изменениям теплопроводностью. В качестве эталонной жидкости использовали химически чистый глицерин, теплопроводность которого в исследуемом диапазоне изменяется на ±2,1 %. Среднюю удельную теплоемкость исследовали калориметрическим методом [3]. При проведении вышеперечисленных исследований пиво «Медовое» до и после деалкоголизации термостатировали с точностью до 0,1 °С.

Для оценки функциональной зависимости между независимой переменной t и теплофизическими свойствами проводили регрессионный анализ [4] в среде «EXCEL». Полученные уравнения приведены в таблице. На рис. 1-5 представлены графики зависимости плотности, динамического коэффициента вязкости, поверхностного натяжения, коэффициента теплопроводности, средней удельной теплоемкости от температуры.

Из анализа графиков зависимостей, представленных на рис. 1, сле-

а-104, Н/м

г, °С

— пиво «Медовое» после деалкоголизации

— пиво «Медовое»

Рис. 3. Зависимость поверхностного натяжения пива «Медовое» до и после деалкоголизации от температуры

дует, что с возрастанием температуры плотность исследуемых продуктов снижается. Это вполне объясняется присутствием в них воды и спирта, плотность которых также снижается по мере возрастания температуры. Увеличение содержания спирта в напитке приводит к большему снижению плотности, поскольку плотность спирта ниже, чем воды. С увеличением концентрации сухих растворимых веществ в напитках их плотность возрастает. Более высокое содержание сухих растворимых веществ и более низкое спирта в пиве после деалкоголизации объясняет тот факт, что расположение зависимости плотности пива после де-

р40-3, кг/м3 1,04 -

1,035 -

1,03 -

1,025 -

1,02 -

1,015

1,01

20 25 30 35 40 45

50

55 t, °C

— пиво «Медовое» после деалкоголизации

— пиво «Медовое»

Рис. 1. Зависимость плотности пива «Медовое» до и после деалкоголизации от температуры

5 • 2007

22

алкоголизации от температуры выше аналогичной зависимости для пива «Медовое» (см. рис. 1).

Причина снижения динамического коэффициента вязкости с увеличением температуры (рис. 2) состоит в том, что вязкость напитков обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может перетекать в соседний слой лишь при образовании в нем полости, достаточной для перескакиваний туда молекулы. На образование полости расходуется энергия активации вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры и понижением давления. С повышением концентрации сухих

X, Вт/(м-К) 0,45 -|

20 25 30 35 40 45 50 55

^ °С

— пиво «Медовое» после деалкоголизации

— пиво «Медовое»

Рис. 4. Зависимость коэффициента

теплопроводности пива «Медовое» до и после деалкоголизации от температуры

№ Формула Размерность Коэффициент множественной корреляции

1 рП = (-0,0003^ + 1,0294)-103 кг/м3 R = 98 %

2 рД = (-0,0003^ + 1,0416)-103 кг/м3 R = 95 %

3 цП = (0,0006-^ - 0,06-£ + 2,2287)-106 кПа-с R = 100 %

4 цД = (0,000109-^ - 0,02305^ + 1,701998)-106 кПа-с R = 98 %

5 стП = (-0,1545-^ + 6,3095^ + 604,68)-104 Н/м R = 98 %

6 стД = (0,1095-^ - 10,828^ + 927,88)-104 Н/м R = 95 %

7 ХП = (0,5624^ + 10,8924)-102 Вт/(м-К) R = 99 %

8 ХД = (0,1049^ + 16,26)102 Вт/(м-К) R = 98 %

9 сП = 0,0036^ + 4,044 кДж/(кг-К) R = 95 %

10 сД = 0,0036^ + 3,999 кДж/(кг-К) R = 95 %

Подстрочные индексы: п — пиво «Медовое»; д — пиво «Медовое» после деалкоголизации.

растворимых веществ и спирта вязкость возрастает.

Поверхностное натяжение (рис. 3) оказывает определяющее влияние на процесс парообразования. Силы поверхностного натяжения действуют в поверхностных слоях жидкости, которые вследствие этого находятся в особом состоянии. Поэтому при кипении из поверхностного слоя жидкости может вырваться та молекула, которая в состоянии преодолеть силы сцепления между молекулами в самой жидкости.

Поверхностное натяжение напитков увеличивается с понижением концентрации спирта, так как спирт — поверхностно-активное вещество, а с ростом концентрации сухих веществ и повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается. Следовательно, значения поверхностного натяжения пива после деалкоголизации выше соответствующих значений исходного пива, так как на значение поверхностного натяжения напитка в большей степени влияет содержание спирта, чем концентрация сухих веществ.

При повышении температуры, снижении содержания спирта и концентрации сухих растворимых веществ напитков с низким содержанием спирта значение коэффициента теплопроводности (рис. 4) увеличивается, причем влияние всех трех факторов примерно одинаково. Значения коэффициента теплопроводности пива «Медовое» выше соответствующих значений коэффициента теплопроводности пива после деалкоголизации, так как разность содержания спирта в пиве «Медовое» и в пиве после деалкоголизации составляет 3,65-3,7 %, а содержание сухих растворимых веществ в пиве «Медовое» ниже, чем в пиве после деалкоголизации, на 0,5 %. Содержание спирта в напитке оказывает большее влияние на значение коэффициента теплопроводности, чем содержание сухих растворимых веществ.

Средняя удельная теплоемкость продуктов с низким содержанием спирта (рис. 5) при снижении его содержания и увеличении концентрации сухих растворимых веществ уменьшается аналогично значению коэффициента теплопроводности.

20 25 30 35 40 45

50

55 ^ °С

— пиво «Медовое» после деалкоголизации

— пиво «Медовое»

Рис. 5. Зависимость средней удельной теплоемкости пива «Медовое» до и после деалкоголизации от температуры

Как следует из приведенных данных, на величину средней удельной теплоемкости наиболее существенно влияет концентрация сухих растворимых веществ в напитке. Причем зависимость между изменением данного параметра и величиной коэффициента теплопроводности носит обратно пропорциональный характер. Остальные же параметры, а именно температура и концентрация спирта оказывают прямо пропорциональное воздействие, причем степень их влияния намного меньше по сравнению с концентрацией сухих веществ.

Результаты проведенных исследований показали, что при изменении температуры теплофизические свойства пива «Медовое» до и после деалкоголизации изменяются, что повлияет на условия тепломассообмена на контактном элементе в РРИ и РРР при проведении процессов деалкоголизации. Уравнения (1)—(10) могут быть рекомендованы для практических расчетов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сорокопуд А. Ф., Михайлова Т. Г., Локтев А. Н. Использование роторного распылительного ректификатора для деалкоголизации пива «Медовое»/Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности: Сб. науч. работ Кемеровского техологич. ин-та пищевой промышленности. — Кемерово, 2006. Вып. 1.

2. Помозова В. А. Технология слабоалкогольных напитков: теоретические и практические аспекты. — Кемерово, 2002.

3. Гинзбург А. С., Громов М. А., Красовская Т. И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов: Справочник. — М.: Агропромиз-дат, 1990.

4. Тюрин, Ю. Н., Макаров А. А. Статистический анализ данных на компьютере. — М.: ИН-ФРА, 1998. &

5 • 2007

23