Криосушка
CRYO DRYER

Изобретение относится к области пищевой, микробиологической и химической промышленности и может быть использовано для сушки пищевых продуктов и биологически активных добавок, сушки замороженных растворов или суспензий, а также для концентрирования или сушки жидких растворов и суспензий.
Известен способ вакуумной сублимационной сушки пищевой продукции (лиофильная сушка или лиосушка). Высушиваемый продукт в незамороженном или в предварительно замороженном состоянии помещают в камеру, заполненную парогазовой средой с очень низким парциальным давлением неконденсирующихся газов, к пищевому продукту подводят тепловую энергию путем кондуктивной и/или радиационной инфракрасной и/или микроволновой теплопередачи, выделяющиеся из высушиваемого продукта водяные пары осаждают на охлаждаемых поверхностях десублиматора, парогазовую среду перемещают от пищевого продукта к десублиматору за счет перепада парциальных давлений водяного пара над нагреваемым продуктом и над охлаждаемым десублиматором (Г.В. Семенов И.С. Краснова «Сублимационная сушка пищевых продуктов». - М.: 2018, с. 115-116, 154-155, 242; RU 2200921).
При реализации способа обезвоживание пищевого продукта преимущественно осуществляется путем последовательных фазовых переходов вода/водный раствор-лед-пар, то есть из жидкого состояния вода переводится в твердое состояние, а из твердого состояния переходит в парообразное состояние и удаляется из продукта. Перевод в твердое состояние может осуществляться как заранее путем предварительного замораживания продукта в холодильной камере, так и непосредственно в процессе сушки за счет эффекта самозамораживания. Достоинством данного способа является высокая степень обезвоживания и легкость регидратации пищевого продукта, недостатком -высокий удельный объем и повышенная хрупкость высушенного продукта, а также низкая степень сохранности в процессе хранения без применения многоуровневой защитной упаковки. Клеточные стенки продукта, высушенного по данному способу в процессе сублимационной вакуумной сушки, истончаются, перфорируются и перестают эффективно защищать внутриклеточные нутриенты от воздействия водяных паров и кислорода окружающей атмосферы. Требуемую защиту обеспечивает только газо-паро-непроницаемая оболочка и защитная бескислородная газовая среда многоуровневой упаковки. Применение сложноутилизируемой упаковки удорожает, утяжеляет пищевую продукцию и приводит к повышенному загрязнению окружающей среды.
Известен способ вакуумной сублимационной сушки с конвективным подводом тепловой энергии к высушиваемому продукту. В данном способе обезвоживание продукта осуществляется преимущественно путем последовательных фазовых переходов вода/водный раствор - лед - пар, подвод тепловой энергии к высушиваемому продукту осуществляется конвективным путем. Недостатком данного способа является использование в качестве рабочего тела легковоспламеняющихся веществ, сложное аппаратурное оформление процесса (RU 2420215).
Известен способ вакуумной сушки пищевой продукции при температуре выше температуры тройной точки воды (0°С). При реализации способа обезвоживание пищевого продукта осуществляется в условиях высокого разрежения исключительно путем фазового перехода вода/водный раствор - пар, то есть вода из жидкого состояния переходит непосредственно в парообразное состояние и удаляется из продукта. Клеточные стенки пищевого продукта, содержащие такие высокомолекулярные соединения, как белки, липопротеины и высокомолекулярные углеводы, в процессе высушивания по данному способу уплотняются, склеиваются и плотно обволакивают внутриклеточные нутриенты, в том числе и находящуюся внутри клеток воду. Достоинством данного способа является малый удельный объем и высокая прочность высушенного пищевого продукта, а также повышенная степень сохранности нутриентов в процессе хранения без применения многоуровневой защитной упаковки, недостатком - невысокая степень обезвоживания и сложность регидратации пищевого продукта. Чаще всего данный способ применяется для сушки жидковязких материалов типа фарши, пюре, желе и т.п., регидратационная способность которых повышается за счет вспенивания в процессе вакуумной сушки (Г.В. Семенов И.С. Краснова. «Сублимационная сушка пищевых продуктов». - М.: 2018, с. 103).
Известен способ вакуумной сушки пищевой продукции в режимах совмещенного влагоудаления, в котором обезвоживание продукта осуществляется в одном и том же аппарате последовательно двумя путями - сначала фазовым переходом вода/водный раствор - пар при абсолютном давлении в камере от 15 до 40 мм рт.ст. (2650-5300 Па), а на следующей стадии сушки фазовыми переходами вода/водный раствор - лед - пар при абсолютном давлении в камере от 0.1 до 0,5 мм рт.ст. (10-66 Па).
Способ заключается в том, что пищевой продукт помещают в камеру, заполненную парогазовой средой с пониженным регулируемым давлением, к пищевому продукту подводят тепловую энергию путем кондуктивной и/или радиационной инфракрасной теплопередачи, выделяющиеся из высушиваемого продукта водяные пары осаждают на охлаждаемых поверхностях конденсатора или десублиматора, парогазовую среду перемещают от пищевого продукта к конденсатору или десублиматору за счет перепада парциальных давлений водяного пара над нагреваемым продуктом и над охлаждаемым конденсатором/десублиматором, температуру поверхности конденсатора/десублиматора поддерживают выше температуры тройной точки воды (0°С) или существенно ниже данной температуры в зависимости от выбранного механизма фазового перехода молекул воды при обезвоживании продукта (Г.В. Семенов И.С. Краснова. «Сублимационная сушка пищевых продуктов». - М.: 2018, с. 238, прототип - RU 2126941 или RU 2357166).
Способ позволяет регулировать тип обезвоживания пищевого продукта. При температуре конденсатора выше тройной точки обезвоживание продукта осуществляется исключительно фазовым переходом вода/водный раствор - пар. При температуре десублиматора ниже тройной точки обезвоживание продукта осуществляется преимущественно фазовыми переходами вода/водный раствор - лед - пар. За счет последовательного сочетания двух типов обезвоживания удается достичь положительных эффектов, связанных с кинетикой и эффективностью сушки, а также добиться положительного изменения потребительских характеристик получаемого высушенного продукта.
Обезвоживание продукта по данному способу осуществляется за счет перемещения (массопереноса) выделяющихся водяных паров от поверхности пищевого продукта к конденсатору/десублиматору под действием перепадов давления, возникающих в этих зонах общей системы в процессе работы.
Давление в каждой зоне системы определяется суммой парциальных давлений водяного пара и неконденсирующихся газов. Необходимым условием реализации способа является существенное превышение парциального давления водяных паров в системе над парциальным давлением неконденсирующихся газов, при котором влиянием парциального давления неконденсирующихся газов можно пренебречь. Движущая сила массопереноса обеспечивается разностью парциальных давлений водяных паров над влагосодержащей поверхностью пищевого продукта и над поверхностью конденсатора/десублиматора.
Если парциальное давление водяных паров над высушиваемой зоной пищевого продукта превышает давление тройной точки водяного пара, то обезвоживание идет по пути фазового перехода вода/водный раствор - пар.
Если парциальное давление водяных паров над высушиваемой зоной пищевого продукта ниже давления тройной точки водяного пара, то обезвоживание идет преимущественно по пути фазовых переходов вода/водный раствор - лед - пар, но некоторая часть влаги удаляется по пути фазового перехода вода/водный раствор - пар. Величина этой доли зависит от активности содержащегося в пищевом продукте остаточного водного раствора, и от парциального давления водяных паров над данной порцией водного раствора, которое в свою очередь зависит от месторасположения данной области в объеме загруженного пищевого продукта. Чем глубже в слое продукта расположена невысушенная зона, тем выше парциальное давление водяных паров в этой зоне при прочих равных условиях и, соответственно выше доля влаги, удаляемой фазовым переходом вода/водный раствор - пар, по сравнению с долей влаги, удаляемой фазовыми переходами вода/водный раствор - лед - пар. Таким образом величина этой доли сильно зависит от случайных факторов, связанных с месторасположением высушиваемого куска продукта в слое пищевого продукта по отношению к нагревательному прибору, от размеров просушиваемого куска, от скорости теплоподвода, которая непостоянна по времени в разные стадии сушки.
Способ не позволяет четко регулировать соотношение водяных паров, одномоментно удаляемых из продукта этими двумя различными типами фазовых переходов, поэтому для регулирования данного соотношения способом предусмотрено не параллельное, а последовательное удаление водяных паров сперва одним типом перехода с поддержанием температуры конденсатора выше тройной точки воды, а затем другим типом перехода с поддержанием температуры десублиматора значительно ниже тройной точки воды.
Задача изобретения направлена на разработку способа, обеспечивающего техническую возможность относительно точного регулирования соотношения количества водяных паров, одномоментно удаляемых из высушиваемого продукта фазовыми переходами вода/водный раствор - пар и вода/водный раствор - лед - пар.
Указанная задача решается способом вакуумной сушки пищевой продукции в режиме регулируемого совмещенного влагоудаления (криоскопическая сушка или криосушка), в котором обезвоживание продукта осуществляется в одном и том же аппарате одновременно двумя путями, а именно фазовым переходом вода/водный раствор - пар и фазовыми переходами вода/водный раствор - лед - пар, заключающемся в том, что пищевой продукт помещают в камеру, заполненную парогазовой средой с пониженным регулируемым давлением, к пищевому продукту подводят энергию путем кондуктивной и/или конвективной и/или радиационной инфракрасной и/или микроволновой теплопередачи, а выделяющиеся из высушиваемого продукта водяные пары осаждают на охлаждаемой поверхности ледового конденсатора, в котором парогазовую среду перемещают при помощи газодувного устройства от пищевого продукта к охлаждаемому ледовому конденсатору и обратно, температуру поверхности ледового конденсатора поддерживают ниже температуры тройной точки воды (ниже 0°С), а давление в камере в течение основного периода сушки поддерживают в диапазоне от 200 Па до 5000 Па.
Криосушка - это сушка в зоне температур, в которой в сильно охлажденном продукте одновременно присутствуют как твердая фаза воды - лед, так и большое количество жидкой фазы - низкозамерзающего водного раствора. Эта зона расположена между криоскопической температурой, соответствующей началу замерзания пищевого продукта и криогидратной температурой, соответствующей окончанию льдообразования, и максимально приближена к области криоскопической температуры. В отличие от криосушки лиофильная сушка (лиосушка), как правило, производится за пределами этой зоны и лишь частично заходит в ее пределы в области криогидратной температуры.
Условием высокой работоспособности заявленного способа является превышение парциального давления неконденсирующихся газов хотя бы в одной точке системы над парциальным давлением водяных паров. Общее давление в системе является суммой парциальных давлений неконденсирующихся газов и водяных паров. Для обеспечения указанного условия температуру ледового конденсатора при рабочих давлениях от 200 до 610 Па предпочтительно поддерживают ниже минус 15 градусов Цельсия, при рабочих давлениях от 610 до 5000 Па поддерживают ниже температуры тройной точки воды.
Продукт может помещаться в камеру как в незамороженном, так и в предварительно замороженном состоянии. В первом случае в процессе сушки происходит его частичная самозаморозка, во втором случае производят его частичное оттаивание, в зависимости от выбранного режима сушки.
Давление в камере поддерживают и регулируют при помощи вакуумного поста.
Способ позволяет регулировать взаимное соотношение количества влаги, удаленной фазовыми переходами различного типа при одновременном ведении данных процессов, а также регулируемо изменять их взаимосоотношение в различные стадии сушки, что в свою очередь позволяет изменять потребительские характеристики высушиваемого продукта.
Способ вакуумной сушки в режиме регулируемого одновременного совмещенного влагоудаления (криосушка) реализуется следующим образом.
При неработающем газодувном устройстве установившееся давление парогазовой среды над пищевым продуктом равно установившемуся давлению над ледовым конденсатором независимо от величины энергоподвода. Движущая сила массопереноса отсутствует. При подводе тепловой энергии к продукту общее давление в системе практически не меняется, возрастает только доля водяных паров над продуктом за счет роста парциального давления водяного пара и соответствующего уменьшения парциального давления неконденсирующихся газов в данной точке пространства. Параллельно увеличивается доля неконденсирующихся газов над поверхностью ледового конденсатора за счет снижения парциального давления водяного пара и вытеснения неконденсирующихся газов из продуктовой зоны.
При подъеме парциального давления водяного пара над продуктом до давления, сравнимого с общим давлением в системе, создаются условия для массопереноса от поверхности продукта к поверхности ледового конденсатора за счет процесса диффузии. Движущая сила данного процесса мала, поэтому обезвоживание продукта осуществляется с малой скоростью преимущественно по механизму фазового перехода вода/водный раствор - пар и сильно зависит от взаиморасположения камеры и ледового конденсатора.
При включении газодувного устройства в работу возникает динамический перепад давлений между зоной пищевого продукта и зоной ледового конденсатора, вследствие чего создаются условия для динамичного массообмена между этими зонами.
В ледовый конденсатор из камеры поступает парогазовая смесь с повышенным парциальным давлением водяного пара. На охлаждаемых поверхностях ледового конденсатора происходит десублимация водяных паров, в результате чего парциальное давление водяного пара в протекающей через ледовый конденсатор парогазовой смеси сильно снижается.
В камеру с пищевым продуктом из зоны ледового конденсатора поступает парогазовая смесь с пониженным парциальным давлением водяного пара (ниже давления тройной точки). За счет подвода тепла и испарения воды/возгонки льда в камере происходит повышение парциального давления водяного пара в протекающем газе.
При равномерном подводе тепловой энергии скорость поступления водяных паров в протекающую парогазовую смесь является постоянной. Чем ниже скорость поступления парогазовой смеси в продуктовую камеру, тем существеннее повышение парциального давления водяного пара в смеси. Чем выше скорость поступления парогазовой смеси в продуктовую камеру, тем меньше относительное повышение парциального давления водяного пара. Регулируя скорость протекания парогазовой смеси путем изменения производительности газодувного устройства можно тонко регулировать степень повышения парциального давления водяного пара над поверхностью продукта и соответственно регулировать взаимосоотношение различных путей фазовых переходов (вода/водный раствор - пар или вода/водный раствор - лед - пар).
При малой скорости парогазовой смеси обезвоживание продукта преимущественно происходит по механизму фазового перехода вода/водный раствор - пар. При высокой скорости парогазовой смеси обезвоживание продукта преимущественно происходит по механизму фазовых переходов вода/водный раствор - лед - пар. При промежуточной скорости обезвоживание происходит по смешанному механизму.
На данное взаимосоотношение также влияет давление парогазовой смеси в системе, которое может регулироваться при помощи вакуумного поста. При общем давлении в системе ниже 200 Па обезвоживание происходит преимущественно по механизму фазовых переходов вода/водный раствор - лед - пар даже при малой скорости парогазовой смеси и, соответственно, регулирование взаимосоотношения механизмов обезвоживания путем изменения производительности газодувного устройства становится затруднительно или невозможно. В этих условиях способ приближается к условиям работы прототипа в режиме вакуумной сублимационной сушки.
При общем давлении в системе выше 5000 Па обезвоживание происходит преимущественно по механизму фазового перехода вода/водный раствор - пар даже при высокой скорости парогазовой смеси и, соответственно, регулирование взаимосоотношения механизмов обезвоживания путем изменения производительности газодувного устройства становится затруднительным или невозможным. Увеличение доли водяных паров, выделяемых фазовыми переходами вода/водный раствор - лед - пар при давлении выше 5000 Па возможно, но лишь при существенном снижении подвода энергии к высушиваемому продукту с соответствующим снижением производительности сушки, что экономически нецелесообразно. При высокой скорости энергоподвода способ приближается к условиям работы прототипа в режиме вакуумной сушки.
В диапазоне давлений от 200 до 5000 Па обезвоживание может идти с высокой скоростью как по одному, так и по другому механизму в параллельном режиме, а их взаимосоотношение возможно регулировать путем регулирования производительности газодувного устройства.
На данное взаимосоотношение влияет также мощность теплового потока, подводимого к высушиваемому материалу, а также мощность теплового потока, отводимого от ледового конденсатора. Чем выше тепловой поток, подведенный к высушиваемому материалу, тем выше производительность высушивания, но при этом происходит сдвиг взаимосоотношений процессов фазовых переходов вода/водный раствор - пар и вода/водный раствор - лед - пар. При малой величине подвода теплоты к продукту повышение парциального давления водяных паров в протекающей парогазовой смеси незначительное и процесс высушивания сдвигается в сторону фазовых переходов вода/водный раствор - лед - пар. При увеличении мощности подвода теплоты увеличивается относительное повышение парциального давления водяных паров в протекающей парогазовой смеси и процесс высушивания сдвигается в сторону фазового перехода вода/водный раствор - пар.
В зоне ледового конденсатора наоборот. При увеличении мощности отвода теплоты (при понижении температуры ледового конденсатора) парциальное давление водяного пара в вытекающей из зоны ледового конденсатора парогазовой смеси снижается, соответственно снижается парциальное давление водяного пара в зоне продукта, соответственно процесс высушивания сдвигается в сторону фазовых переходов вода/водный раствор - лед - пар. При снижении мощности теплоотвода (при повышении температуры ледового конденсатора) при прочих равных условиях процесс высушивания сдвигается в сторону фазового перехода вода/водный раствор - пар.