Массообменные процессы

В пищевой промышленности широко применяются процессы массообмена. Наиболее часто встречаются экстрагиро­вание и экстракция, абсорбция и адсорбция, перегонка и ректи­фикация, растворение и кристаллизация и, наконец, сушка.

Различные вещества могут находиться в неодинаковых фазо­вых состояниях. Например, вода может представлять собой твер­дую фазу — лед. При обычном давлении и температуре выше 0 ºС вода находится в виде жидкости. При более высокой темпе­ратуре вода превращается в пар, переходит в паровую фазу. Газы — сильно перегретые пары соответствующих веществ. Раз­личные фазы могут вступать во взаимодействие друг с другом. При этом взаимодействии происходит обмен веществами, рас­творенными в фазах.

Когда мелко изрезанную сахарную свеклу (стружку) промыва­ют, сахар, содержащийся в клеточной жидкости, переходит в воду. Этот переход обусловлен разностью концентрации сахара в клеточной жидкости и воде. Скорость перехода сахара из струж­ки в воду будет уменьшаться по мере увеличения концентрация сахара в воде и снижения его концентрации в стружке. Наконец эти концентрации станут равными и процесс прекратится.

Движущей силой массообменных процессов является раз­ность концентраций.

При растворении сахара в воде вещество (сахар) переходит из твердой фазы в жидкую. При очистке жидкостей или газов с помощью активированного угля вещество переходит из жидкой или газовой фазы в твердую. При разбавлении растворов проис­ходит переход вещества из одной жидкой фазы в другую.

Массообменные процессы принято классифицировать по агрегатному состоянию и характеру взаимодействия фаз.

В основе представлений о массопередаче лежит понятие равновесия фаз. Это равновесие, например концентрация растворенного вещества в двух взаимодействующих фазах, зависит от температуры и давления. Массоперенос начинается, если кон­центрация вещества во взаимодействующих фазах отличается от равновесной. Чем больше это различие, тем выше скорость пере­носа. Зная концентрацию компонента в фазах и условия равно­весия, можно определить направление процесса.

Адсорбция. Процесс поглощения одного или нескольких компонентов из смеси газов, паров или жидких растворов поверхностью твердого вещества — адсорбента называется адсорбцией. Процесс адсорб­ции подобно процессу абсорбции избирателен, т.е. из смеси поглощаются только определенные компоненты. Как и при абсорбции, поглощенное вещество может быть выделено из адсор­бента, например, при нагревании. Этот процесс регенерации — обновления абсорбента называется десорбцией.

Процессы абсорбции и адсорбции внешне похожи. Разница между ними заключается в том, что в одном случае вещество поглощается всем объемом жидкости, а в другом — только по­верхностью твердого поглотителя — адсорбента.

Количество поглощаемого вещества зависит от площади по­верхности поглотителя. Поэтому адсорбенты обладают чрезвы­чайно развитой поверхностью, что достигается за счет образова­ния большого количества пор в твердом теле.

Активированный уголь являетсясамым распространенным адсор­бентом. Его получают сухой перегонкой дерева с последующей активацией — прокаливанием при температуре около 900 °С. Активированный уголь получают также из костей животных и других углеродсодержащих материалов. Размеры кусков активи­рованного угля в зависимости от марки лежат в пределах от 1 до 5 мм. Активированный уголь лучше поглощает пары органичес­ких веществ, чем пары воды. Недостатками активированных углей являются их небольшая механическая прочность и горю­честь.

Силикагели. Этот адсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стек­ло) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Размер гранул силикагеля лежит в пределах от 0,2 до 7 мм. Суммарная поверхность 1г силикагеля 400...770 м². Силикагели эффективно поглощают пары органических веществ, а также влагу из воздуха и газов. Поэтому гранулы силикагеля иногда используют при упаковке на хранение приборов и мате­риалов, боящихся влаги. В отличие от активированного угля силикагель негорюч и обладает большой механической прочнос­тью.

Цеолиты. Это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов первой и второй групп периодической системы Д. И. Менделеева. Встречаются в природе и добываются карьер­ным способом. В промышленности чаще применяют синтетичес­кие цеолиты, обладающие весьма однородной структурой, с раз­мерами пор, которые можно сравнить с размерами крупных молекул. Поэтому цеолиты обладают свойствами микрофильтрационных мембран.

Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и поэтому используются для глубокой осушки газов и воздуха с незначительным содержанием влаги. Гранулы промышленных цеолитов обычно имеют размеры от 2 до 5 мм.

Иониты. Это природные и искусственные адсорбенты, дейст­вие которых основано на химическом взаимодействии с очищае­мыми растворами. Процессы с применением ионитов следует отнести к хемосорбции — адсорбции, сопровождаемой химичес­кими реакциями. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анио­нами, называются анионитами. Иониты, содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами, называются катионитами. Существует группа аморфных ионитов, способных к анионному и катионному обменам одновременно. Наибольшее распространение в промышленности получили ио­нообменные смолы. Так, в сахарорафинадном производстве с помощью ионообменных смол осуществляют обесцвечивание си­ропов. Смолы применяют также в некоторых случаях при обра­ботке воды.

В качестве естественных адсорбентов в пищевой промышлен­ности, например для осветления вин, используют мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин. С этой же целью при­меняют рыбий клей (желатин) и другие вещества.

Экстракция - процесс избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из растворов или твердых тел с помощью жидкого растворителя - экстрагента.

Если вещества извлекаются из жидких систем, процесс называют жидкостной экстракцией. В микробиологических производствах с помощью экстрагента извлекают молочную кислоту и антибиотики из ферментативных растворов. При этом экстрагент и жидкость, содержащая извлекаемые компоненты, должны об­ладать различнойплотностью и не должны растворяться. Благо­даря этим свойствам образованная неоднородная система легко разделяется.

Сушка. Удаление влаги из материалов (продуктов, изделий) при их подготовке к переработке, использованию или хранению называ­ют сушкой. Этот процесс чрезвычайно широко распространен в пищевой промышленности и других отраслях народного хозяйст­ва. Сушка обеспечивает сохранность зерна в сельском хозяйстве, увеличивает сроки хранения изделий (сухари, сахар).

Сушка также может быть включена в технологический про­цесс для придания перерабатываемым полуфабрикатам и издели­ям (пастиле, зефиру) определенного качества.

Различают сушку конвективную (в потоке нагретого газа), контактную (при соприкосновении с нагретой поверхностью), сублимационную (в вакууме), высокочастотную (диэлектричес­ким нагревом), радиационную (ИК - излучением).

Удаление влаги из материала может быть осуществлено раз­личными способами. Наименее энергоемким способом является механический: прессование или отжим в центрифугах. Этот спо­соб позволяет удалить лишь ту часть влаги в материале, которая заполняет поры и капилляры тела, так называемую несвязанную влагу. Для полного удаления влаги применяют тепловые способы сушки, основанные на превращении влаги, содержащейся в мате­риале, в пар с последующим удалением этого пара. Физико-хими­ческие способы сушки основаны на применении водопоглощающих средств (силикагель, концентрированная серная кислота, хлорид кальция). Эти способы промышленного распространения не получили и используются в лабораторной практике.