Теоретические основы сублимационной сушки

Качество продукта, обезвоженного методом сублимации, тем выше, чем больше доля воды, испаряемой из твердого состояния. Но количество воды в твердом состоянии зависит от температу­ры продукта в период сушки. Так, при температуре около -1, 5 ⁰С вымерзает лишь 30 % влаги продукта, а при -15 ⁰С более 85 %. Последней температуре отвечает давление насыщенного па­ра 1, 24 мм рт. ст. Экспериментально установлено, что для сохра­нения хорошей структуры продукта и равномерного распределе­ния растворимых составных частей по всему его объему необ­ходимо вымораживать 80-90 % воды. Поэтому сублимационную сушку ведут при давлениях 1 мм рт. ст. или ниже. При этих ус­ловиях лишь небольшая часть воды (около 10-20 % ее общего количества), которая не вымерзает, и испаряется, не будучи превращенной в лед. Это наиболее прочно связанная влага, ко­торая удаляется при плюсовых температурах.
Если методом сублимации сушить продукт без предваритель­ного вымораживания влаги, то по достижении достаточно низких значений давления температура продукта достигает криоскопической точки и начинается вымерзание влаги в процессе сушки. Происходит самозамораживание продукта, которое несколько упрощает технологический процесс и удешевляет его. Но в пе­риод самозамораживания 10-15 % влаги удаляется из жидкого состояния, вследствие чего частично утрачиваются преимущества сублимационной сушки: теряется часть компонентов, влияющих на аромат и вкус, ухудшается гидратация при обводнении. Поэ­тому мясопродукты рекомендуется сушить после их предвари­тельного замораживания.
Скорость сублимационной суш­ки определяется интенсивностью внутреннего и внешнего пере­носа влаги. Но механизм переноса влаги имеет некоторые отли­чия. Испарение влаги внутри продукта происходит на гранях кристаллов, внутренний перенос влаги проходит по капиллярам и каналам через обезвоживаемый слой продукта, толщина кото­рого растет по мере обезвоживания образца. Движущей силой внутреннего переноса является разность парциальных давлений водяного пара, а сопротивление переносу определяется диамет­ром и длиной каналов. При этом длина последних возрастает по мере углубления зоны испарения. В этих условиях решающее значение имеет режим течения парогазовой смеси в каналах. При диффузионном, т. е. вязкостном, режиме течения скорость его резко снижается в результате взаимного соударения движу­щихся молекул. Но если длина свободного (без столкновения) пробега молекул больше диаметра капилляров, молекулы пере­мещаются на всем пути без соударений, в виде молекулярного пучка со средней скоростью, полученной ими в момент отрыва от кристаллов. Течение приобретает эффузионный характер. Диаметр большинства капилляров лежит в границах 10^-5-10^-3 см. Длина свободного пробега молекул зависит от степени расширения объема паров или газов, т. е. от величины их дав­ления. При давлениях 0, 01-1, 0 мм рт., ст. длина свободного про­бега молекул водяного пара составляет соответственно 0, 32 и 0, 0032 см. Таким образом, сушка при давлениях ниже 1 мм рт. ст. обеспечивает внутри образца эффузионный режим течения боль­шей части удаляемого пара.

Так как по мере испарения влаги зона сублимации углубля­ется, и сопротивление внутреннему переносу растет, скорость сублимации падает. При этом обезвоженный слой, в котором воз­гонка льда заканчивается, нагревается до температур выше тем­пературы сублимации. К концу сушки, когда удаляется наиболее прочно связанная влага, температура образца повышается до максимальной, а скорость обезвоживания резко падает.
Внешний перенос водяных паров происходит при диффузион­ном режиме течения. Его движущей силой является разность парциальных давлений водяного пара на поверхности образца и в окружающей среде. Это последнее зависит от скорости эва­куации пара из объема сушилки. При тех давлениях, которыми пользуются при сублимационной сушке, испарение влаги сопро­вождается резким увеличением ее объема (в миллион и более раз). Это делает эвакуацию водяного пара механическим путем (т. е. насосом) технически трудно осуществимой. Поэтому испа­ряющуюся влагу конденсируют, а насосом удаляют только не­конденсирующиеся газы и небольшую часть несконденсировавшихся водяных паров. При такой технике движущей силой пере­носа на пути от поверхности продукта к поверхности конденса­ции будет разность парциальных давлений водяного пара или разность температур для этих поверхностей.

С учетом особенностей внутреннего и внешнего переноса вла­ги интенсивность сублимационной сушки может быть выражена уравнением

М = В (р_м - р_к),

где М – интенсивность сублимационной сушки, кг/м^2.ч;

В —коэффициент сушки, кг/(м^2. ч ^.мм рт.ст.);

р_м — давление водяного пара на поверхности образца, мм рт. ст.;

р_к — давление водяного пара на поверхности конденсатора, мм рт. ст.

Коэффициент сушки зависит: от структуры и свойств продук­та, толщины образца и соотношения его поверхности к объему; общего давления в системе и парциального давления в ней воз­духа; способа и интенсивности теплоподвода к материалу; вели­чины гидравлического сопротивления на пути движения пара от поверхности сублимации к поверхности конденсации.
При прочих равных условиях интенсивность сушки может быть увеличена либо повышением температуры материала, ли­бо понижением температуры конденсации. В большинстве слу­чаев сублимационную сушку ведут, придерживаясь так назы­ваемого оптимально-рентабельного режима в период собственно сублимации: температура сублимации -10…-20 ⁰С, температу­ра конденсации -30…-40 ⁰С. Температуру поверхности образ­ца на заключительном этапе сушки поддерживают на уровне, безопасном для его качества. Так как интенсивность испарения влаги из материала на этом этапе зависит главным образом от интенсивности подвода тепла в зону испарения и перемещения образующегося пара сквозь высохший слой к поверхности мате­риала, продолжительность процесса в значительной мере опре­деляется толщиной продукта.

Теплоподвод. В процессе сушки в зону парообразования необходимо под­водить тепло в количествах, эквивалентных теплоте, отнимаемой от продукта испарением влаги. Недостаток теплоподвода сни­жает скорость сушки, избыток - влечет размораживание про­дукта и пригорание поверхностных слоев.

При кондуктивном нагреве, получившем наиболее широкое распространение в практике, продукт помещают на противни, устанавливаемые на полых металлических полках. Внутри полок циркулирует теплоноситель. Тепло в зону испарения поступает с небольшой скоростью, так как в теплообмене участвует только та часть продукта, которая контактирует с греющей поверхно­стью, а теплопроводность высохшего слоя весьма незначительна. Из-за опасности перегрева продукта температура теплоносителей в плитах невысока (40-50 ⁰С). Продолжительность сушки ку­сочков мяса толщиной 12-15 мм составляет 15-20 ч.

Кондуктивный теплоподвод может быть интенсифицирован увеличением площади контакта продукта с греющей поверхно­стью. Для этого продукт помещают между двумя сетками, кото­рые расположены между нагревательными плитами. Плотность контактов обеспечивается прижатием плит к продукту. Тепло передается продукту с двух сторон через материал сеток. Темпе­ратура теплоносителя в подобных установках может быть зна­чительно более высокой (в начале процесса до 140 ⁰С). Длитель­ность сушки продукта сокращается примерно вдвое.

Наиболее перспективным методом теплоподвода при субли­мационной сушке оказался нагрев теплоизлучением. Эффективность такого нагрева объясняется тем, что энергия воспринима­ется всей облучаемой поверхностью материала, и излучение про­никает на некоторую глубину в его толщу. Установлено также, что инфракрасные лучи, воздействуя на материал, ускоряют процесс выделения из него воды. Так как проницаемость боль­шинства материалов увеличивается с уменьшением длины волн, предпочтительны высокотемпературные лучистые нагреватели. На опытно-промышленной установке Ленинградского мясоком­бината, нагреватели выполнены из цилиндрических электроламп, обеспечивающих коротковолновый лучистый энергоподвод к материалу с двух сторон. При таком теплоподводе длительность сушки кусков мяса толщиной 10-12 см составляет 6-8 ч.

Технические средства. Сублимационная сушильная установка представляет собою герметизированную систему, состоящую из следующих основных элементов: сушильной камеры (сублиматора), конденсатора, вакуум-насоса, нагревателя, контрольно-измерительной аппара­туры (рисунок 63).

Рисунок 63 - Схема сублимационной сушилки

Сублиматор может иметь цилиндрическую или прямоуголь­ную форму. В большинстве случаев сублиматор снабжен нагре­вателями в виде плит, на которых размещаются противни с про­дуктом. Но при таком устройстве нагревателей затруднена меха­низация загрузки и выгрузки сырья и поддержание санитарного режима. На современном мясокомбинате нагреватели смонти­рованы на тележке, которая одновременно несет на себе против­ни с продуктом. Тележка вводится в сублиматор на катках. На­ряду с сублимационными камерами периодического действия существуют камеры поточно-циклического действия, которые от­личаются большой длиной и наличием герметизирующих шлю­зов. Продукт вводится в камеру на тележках.
Выделяемые в процессе сушки пары воды непрерывно уда­ляются из рабочего объема установки путем их конденсации (вымораживания) на охлаждаемой поверхности или откачки с помощью пароэжекторных насосов.

В промышленной практике наиболее распространен первый способ. Для охлаждения поверхности конденсаторов до температуры -30…-40⁰С применяют в основном двухступенчатые аммиачные и фреоновые холодиль­ные машины. В установках, снабженных конденсаторами, неконденсируемые газы удаляются с помощью вакуум-насосов.

На продолжительность процесса сушки оказывает существен­ное влияние взаиморасположение сублиматора и конденсатора. Проводимость вакуум-коммуникации значительно уменьшается с увеличением длины и уменьшением диаметра трубопровода. Поэтому в современных установках длина соединительных трубопроводов минимальна.

Зарубежные фирмы в промышленных сублимационных уста­новках используют четырех - и шестиступенчатые пароэжекторные насосы. Для создания глубокого вакуума этим способом не­обходимо давление пара 9-10 ат.