Способы сушки растительного сырья

метки: Технология, Продукт, Сушка, Температура, Скорость, Составлять, Процесс, Установка

Сушка — это не только сложный процесс тепло- и массообмена, но также и сложнейший технологический процесс. Высушенный пищевой продукт должен иметь высокие показатели качества, как органолептические, так и физико-химические. Оптимальный режим сушки должен осуществляться при минимальном затрате тепла и энергии и заключаться в максимальном сохранении химико-технологических показателей качества сырья, используемого для сушки.

Исследования последних лет направлены на совершенствование способов сушки, которые бы обеспечивали максимальную сохранность пищевых и вкусовых достоинств продукта, а также высокую эффективность процесса.

Для современных способов сушки характерна интенсификация процессов тепло- и массообмена, которая достигается различными путями: увеличением поверхности контакта между высушиваемым продуктом и сушильным агентом; снижение относительной влажности сушильного агента; применение комбинированного подвода тепла; повышение скорости перемещения высушиваемого материала и сушильного агента; сочетание обезвоживания с различными технологическими процессами: замораживанием, взрыванием, диспергированием, вспениванием и др.

Существует несколько классификаций способов сушки по различным признакам.

По способу воздействия сушильного агента:

• естественная;
• искусственная.

Естественная сушка — старый способ, используется для сушки плодов, ягод, грибов в регионах с подходящими климатическими условиями. Продукт высушивают на открытом воздухе в тонком слое до равновесной влажности.

Искусственная сушка — проводится в сушильных установках, которые располагают в закрытых помещениях и снабжают необходимыми источниками энергии.

По давлению воздуха в сушильной камере :

• атмосферная;
• вакуумная.

Атмосферная — сушильным агентом является атмосферный воздух с отклонением давления в сушильной камере не выше 49 МПа.

Вакуумная — сушка производится под вакуумом, который создается и поддерживается вакуум-насосом.

По способу подвода тепла к влажному материалу сушилки классифицируются на:

• конвективные — тепловая энергия передается конвекцией;
• кондуктивные — тепловая энергия передается с помощью теплопроводности;
• терморадиационные — тепловая энергия передается с помощью термоизлучения;
• высокочастотные — тепловая энергия преобразуется из электрической внутри высушиваемого материала;
• комбинированные — передача тепла осуществляется с помощью комбинаций вышеупомянутых способов.

В зависимости от направления движения высушиваемого материала и сушильного агента:

Сушка. Определение и характеристика процесса. Применение сушки ...

... Сушильные аппараты 2.1 Виды сушки По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки: 1. Конвективная ... Конвективные сушилки В конвективных сушилках сушильный агент, предварительно нагретый в калорифере, движется в сушилке ... ее качественные признаки. Энергия связи - энергия, которую нужно затратить ... пара в микрокапиллярах; 6) тепловое скольжение пара в макрокапиллярах, ...

• прямоточные — направление движения высушиваемого материала и сушильного агента совпадает;
• противоточные — направление движения высушиваемого материала и сушильного агента противоположное;
• перекресточные — направление движения высушиваемого материала и перпендикулярно направлению сушильного агента.

По виду сушильного агента:

• аппараты, использующие нагретый воздух;
• установки, использующие дымовые газы;
• установки, используемые смесь воздуха с дымовыми газами;
• установки, используемые перегретый пар.

По циркуляции сушильного агента:

• установки с естественной циркуляцией;
• установки с принудительной циркуляцией (при помощи центробежных и осевых вентиляторов).

По способу нагрева сушильного агента:

• установки с паровыми калориферами;
• установки с огневыми калориферами;
• установки с топками на жидком топливе;
• установки с топками на газовом топливе.

По кратности использования сушильного агента:

• с однократным использованием нагретого воздуха;
• с многократным использованием нагретого воздуха.

По виду объекта сушки:

• для твердых материалов (крупных, мелких, пылевидных);
• для жидких материалов;
• для пастообразных продуктов.

По режиму работы:

• периодического действия;
• непрерывного действия.

По конструктивным признакам:

• тоннельные;
• камерные;
• шахтные;
• ленточные;
• барабанные;
• вальцевые и др.

Выбор способа сушки зависит от биохимических и структурно-механических свойств сырья, состояния его при обезвоживании (целые плоды, нарезанные кусочками, жидкие продукты), а также свойств конечного продукта и экономичности процесса.

2. Конвективный способ

Этот способ самый распространенный. Энергия передается высушиваемому объекту с помощью конвекции. В качестве сушильного агента используется нагретый воздух, топочные газы или перегретый пар. Характерной особенностью конвективной сушки является то, что перенос влаги внутри продукта происходит за счет влаго- и термовлагопроводности как в виде жидкости, так и в виде пара. Сушильный агент является теплоносителем и влагопоглотителем.

Преимуществом этого метода является простота, возможность регулирования температурой высушиваемого материала.

Недостатки. Градиент температуры направлен в сторону, противоположную градиенту влагосодержания, это тормозит удаление влаги из материала. Небольшие коэффициенты теплоотдачи от сушильного агента к поверхности материала (11,6-23,2 Вт/(м2*К).

Важную роль при конвективной сушке играют параметры сушильного агента (температура, относительная влажность, скорость движения), толщина слоя и его состояние (плотный, разрыхленный, взвешенный, диспергированный), а также удельная нагрузка. Поэтому интенсифицировать конвективную сушку можно, регулируя данные параметры.

Оборудование для механического обезвоживанья и сушки текстильных материалов

... в ролик). 4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СУШКИ И ТЕРМООБРАБОТКИ ТКАНЕЙ, Сущность процесса сушки. Классификация сушилок. Влагу, которую нельзя удалить из ... или в составе агрегатов (со жгуторасправителями и сушильными машинами). В СССР сконструирована новая отсосная машина MOB, ... ее удаление возможно при сильном пересушивании волокнистого материала, которое нежелательно, так как волокно становится жестким, ...

Температура — с повышением температуры сушильного агента интенсивность испарения влаги увеличивается за счет увеличения теплообмена между высушиваемым материалом и сушильным агентом, а продолжительность сушки сокращается. Однако температура в конце сушки не должна быть выше критической для высушиваемого материала. Для плодово-ягодного сырья она колеблется в пределах 55-65 0С.

Относительная влажность сушильного агента — с уменьшением относительной влажности процесс сушки ускоряется. Но сушка с низкой относительной влажностью связана с излишним расходом тепла и, следовательно, удорожанием процесса. Кроме того, низкая относительная влажность сушильного агента вначале сушки способствует быстрому перемещению влаги и образованию корочки на поверхности, что замедляет сушку. Для плодового и овощного сырья относительная влажность отработанного воздуха должна быть в пределах 35-45 %.

Скорость сушильного агента — зависит от его количества, поступающего в установку, сечения камеры, направления движения. В тоннельных сушилках скорость движения сушильного агента составляет 2,8-3,5 м/с, а в ленточных — 0,2-0,5 м/с. При движении сушильного агента перпендикулярно высушиваемому материалу теплообмен увеличивается примерно в 2 раза по сравнению с параллельным. Поэтому для сушки в неподвижном слое применение ленточных сушилок более эффективно, чем тоннельных.

Толщина слоя — зависит от вида сырья, формы, коллоидно-химических свойств, начальной и конечной влажности. Сушка плодов и овощей в тонком слое в начале процесса и более толстом в конце создает благоприятные условия для получения продукта хорошего качества и эффективного использования сушильной установки. Этот принцип используется в ленточных сушилках.

Состояние слоя — определяет активную поверхность контакта с сушильным агентом.

Использование нагретого воздуха в качестве сушильного агента, который является одновременно теплопередатчиком, влагопоглотителем и влагоудалителем, обусловливает сравнительную простоту конструкций конвективных сушилок. При других способах сушки находящийся в контакте с продуктом воздух используется лишь для удаления испарившейся влаги.

Технические способы осуществления конвективной сушки самые разнообразные: в плотном слое, во взвешенном, в распыленном состоянии и т.д.

2.1 Сушка в плотном слое

Процесс сушки в неподвижном и малоподвижном слое осуществляется в камерных, ленточных, тоннельных и шахтных сушильных установках.

Камерная сушилка — основным узлом является сушильная прямоугольная камера, внутри которой помещается высушиваемый продукт. Это сушилка периодического действия. Сушка производится нагретым воздухом или смесью топочных газов с воздухом. Используется для сушки сухарей, кукурузы в початках, зерна.

Ленточные (конвейерные) сушилки — используются широко на овощесушильных предприятиях для сушки овощей, фруктов, нарезанных на мелкие куски, проваренных круп. Сушка осуществляется воздухом, нагретым в калориферах. Особенностью их является то, что продукт высушивается в плотном слое высотой 7,5-15 см. Эти сушилки непрерывного действия. Представляют собой закрытую теплоизолированную камеру, внутри которой расположены один над другим 4 или 5 бесконечных сетчатых ленточных конвейеров из нержавеющей стали. Сушилка марки Г4-КСК-90 (пятиленточная) приведена на рисунке 1.3.

Барабанная сушилка (2)

... жидкие и пастообразные продукты, в химической технологии высушивают, главным образом, конвективным способом. В конвективных сушилках тепло процесса несет газообразный сушильный агент (нагретый воздух, топочные ... огнеопасны, сушильным агентом служат инертные к высушиваемому материалу газы: азот, диоксид углерода, гелий и другие инертные газы или перегретый водяной пар. Скорость процесса сушки ...

Каждый ленточный конвейер смещен относительно другого по длине сушильной камеры для пересыпания продукта с одной ленты на другую. Ленты движутся противоположно друг другу. Скорость движения лент может меняться. Ширина ленты до 2 м, длина до 10 м. Для загрузки продукта в сушильную камеру предусмотрен транспортер (1) со скребками. Для перемещения продукта с целью равномерной сушки и предотвращения слипания в начале первой, а также в середине первой, второй и третьей ленты установлены ворошители. Для очистки лент от налипшего продукта под первой и второй лентами (в конце) установлены щетки. Поверхности барабанов очищаются от налипшего продукта скребками, которые установлены у натяжных барабанов первого, второго и третьего ленточного конвейеров. Осыпающиеся куски продукта попадают в установленные под скребками лотки. Из лотков они убираются вручную 1 раз в смену.

Между барабанами ленточных конвейеров установлены калориферы. На каждом ряде калориферов в месте подвода пара установлены вентили, а в местах отвода — конденсатоотводчики. Это позволяет регулировать тепловой режим в каждой зоне. Сушильный агент подается снизу, проходит через все зоны сушилки и отсасывается вентилятором (4).

Высушиваемый продукт загружается в сушильную камеру (2) на верхнюю ленту (3).

Пройдя до конца ленты, он пересыпается на следующую, движется в противоположном направлении и выгружается с нижнего транспортера. Температура сушильного агента на входе в сушилку 90-120 0С, на выходе — 55-80 0С.

Ленточные конвейерные сушилки обеспечивают непрерывность процесса. Но ограниченная скорость и неравномерное распределение сушильного агента приводят к неравномерному распределению теплоты и влаги и местным перегревам.

Тоннельные сушильные установки используются для сушки плодов, ягод, грибов, а также для сушки жестяных консервных банок после мойки. Представляют собой сквозную удлиненную камеру, внутри которой высушиваемый продукт перемещается в вагонетках. Каждая вагонетка имеет 20-30 полок, на которых устанавливаются сетчатые поддоны с высушиваемым материалом. На каждый поддон помещается от 15 до 25 кг продукта.

По режиму работы относятся к сушилкам непрерывного действия. Длина этих сушилок от 10 до 100 м, ширина — от 2 до 10 м. При эксплуатации необходимо соблюдать расстояние между материалов, стенами и потолком, а также между вагонетками 70-80 мм. Циркуляция сушильного агента осуществляется как за счет естественной конвекции, так и принудительной, последние сушилки более производительны и экономичнее. В этих сушилках используют реверсирование (изменение направления подачи сушильного агента).

Это позволяет увеличить равномерность процесса сушки. Сушильным агентом является смесь топочных газов и воздуха. В сушилке предусмотрена рециркуляция части отработанного воздуха, это повышает экономичность. Начальная температура сушки 45-50 0С, конечная — 75-80 0С. Использование вначале процесса сушки мягких условий для удаления влаги с постепенным повышением температуры благоприятно для фруктов, которые трудно поддаются сушке (виноград, абрикосы).

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

... материала). Поэтому расчеты (при сушке, увлажнении и т .д.) удобно относит к одному килограмму сухого воздуха. Влагосодержанием воздуха – d называется отношение массы пара (Мп) во влажном воздухе к массе сухого воздуха ...

Применение в них смеси топочных газов с воздухом хотя и экономично по затратам теплоты, но не исключает возможности образования при сушке канцерогенных веществ.

Шахтные сушилки предназначены для сушки сыпучих продуктов. Представляют собой вертикальные шахты прямоугольного сечения размером не менее 80 мм. Стенки чаще всего сетчатые или жалюзийные. Сушилки могут быть прямоточные или рециркуляционные. В прямоточных сушилках продукт проходит через сушильную камеру один раз, в рециркуляционных — несколько раз, число рециркуляций зависит от начальной влажности продукта.

Эти сушилки обеспечивают непрерывность процесса, но скорость сушки в них в 2-3 раза ниже по сравнению с ленточными конвейерными сушилками.

При обезвоживании продуктов в плотном слое не вся поверхность высушиваемого материала участвует в теплообмене. Поэтому процесс протекает медленно, продолжительность сушки высокая, возможны перегревы продукта на отдельных участках. Сушилки громоздки и имеют невысокую производительность. Готовый продукт плохо набухает, восстанавливается при длительном кипячении (20-25 мин).

Значительное ускорение процессов тепло- и массообмена достигается при сушке продуктов в перемешиваемом слое.

2.2 Распылительная сушка

Конвективная сушка жидких продуктов в тонкодиспергированном (распыленном) состоянии — один из современных высокоинтенсивных способов. В пищевой промышленности эта сушка используется для обезвоживания овощных и фруктовых паст, пюре, соков.

При обезвоживании распылением жидкие продукты диспергируют на капли малых размеров (5-500 мкм).

Это увеличивает поверхность испарения (площадь поверхности 1 кг раствора составляет 600 м2) и продолжительность сушки измеряется секундами (от 5 до 30 с).

Очень малый размер частиц устраняет тормозящее действие термовлагопроводности. При этом скорость внутренней диффузии практически не влияет на скорость сушки, в результате чего с огромной поверхности диспергированных частиц удаляется, в основном, поверхностная влага. Это позволяет применять при сушке термолабильных продуктов повышенные температуры сушильного агента (до 180-200 0С).

Максимальный размер капель (Dmax,м) определяется по формуле 1.22:

Dmax = к* (1.22)

где: к — коэффициент, зависящий от свойств распыляемого вещества;

• у — поверхностное натяжение, Н/м;
• g — ускорение силы тяжести, м2/с;
• св — плотность воздуха, кг/м3;

х — скорость выхода струи, м/с

Скорость движения воздуха в таких установках составляет 0,2-0,4 м/с. Размеры сушильной камеры определяются производительностью установки и факелом распыления и составляют в диаметре 2,6-12,5 м, а высота от 3 до 25 м и более. Чаще всего сушильная камера имеет форму цилиндра с плоским или коническим основанием, реже — форму прямоугольника. Для удаления высушенного продукта на полу камеры (если форма цилиндрическая) или на стенках (при цилиндроконической форме) установлены скребки, которые вращаются с частотой 50 мин-1 и препятствуют прилипанию продукта к стенкам сушилки. Распылительные устройства в сушилках могут быть в виде форсунок или центробежных дисков.

Преимуществом форсуночного распыления является небольшой расход электроэнергии (на 1 т раствора 2-4 кВт/ч); бесшумность работы; простота конструкции. К недостаткам можно отнести засорение выходных отверстий из-за малого сечения; при увеличении производительности ухудшается качество распыления, поэтому в установках большой производительности устанавливают много форсунок (до 35 шт.).

Дисковой распыление наиболее распространено, так как с помощью быстровращающихся дисков (частота вращения 7500-12000 мин-1) можно распылять продукты с высоким содержанием сухих веществ (до 50 % и выше).

Это возможно потому, что в них нет отверстий для прохода раствора, они не забиваются и обеспечивают однородное распыление. Один диск обеспечивает работу одной сушильной установки любой производительности. К недостаткам дискового распыления можно отнести высокая стоимость устройства; необходимость делать сушильную камеру большего диаметра из-за широкого факела распыления.

Движение распыленных частиц и воздуха в камере может быть прямоточным, противоточным и смешанным. Прямоточное используется при сушке термолабильных продуктов, так как это дает возможность использовать более высокие температуры без опасности перегрева продукта.

Размеры сушильной камеры можно определить, исходя из ее объема, который рассчитывается по уравнению 1.23:

V = (1.23)

где: W — количество испаренной влаги, кг/с (определяется на основании уравнения материального баланса процесса сушки);

• ф — продолжительность сушки, с;
• Аw — коэффициент напряжения (для форсуночных распылительных установок он равен 2,2-2,4 кг/(м3*ч);
• для дисковых — 3,1-3,5 кг/(м3*ч).

По объему камеры определяют диаметр (d) и высоту (h), соотношение между ними зависит от способа распыления: для форсуночных сушильных установок d:h = 1: (1,5-2,5); для дисковых распылительных сушилок d:h = 1: (0,8-1,0).

В зависимости от формы и размеров сушильной камеры количество осевшего и уносимого после сушки продукта различно: в цилиндрических камерах остается 65-70 % продукта, а 30-35 % уносится с воздухом; в камерах цилиндроконической формы оседает 30-35 % сухого продукта и 65-70 % уносится с воздухом. Поэтому за сушильной камерой монтируют устройства для выделения сухого продукта из отходящего воздуха (рукавные фильтры, циклоны, мокрые пылеуловители — скрубберы и т.д.).

Из-за высокой скорости испарения влаги температура высушиваемого продукта остается невысокой. Продукты получаются высокого качества с хорошей растворимостью. При этом способе сушки можно регулировать величину частиц, объемную массу, конечную влажность и температуру порошка. По качеству получаемые продукты сравнимы с продуктами сублимационной сушки, но стоимость их на 25-30 % ниже.

К недостаткам распылительной сушки можно отнести большие габариты сушильных установок, недостаточное использование объема сушильной камеры, повышенные расходы теплоты (на 1 кг испаренной влаги затрачивается 2,5-4,0 кг пара).

2.3 Сушка во взвешенном слое

Способ применяется для сушки круп, плодов и овощей, нарезанных кубиками с размерами грани от 8 до 20 мм.

При сушке во взвешенном слое нагретый воздух движется сквозь слой материала, теплообмен увеличивается в 2 раза. Дальнейшее ускорение сушки происходит за счет перехода материала из неподвижного слоя во взвешенный. Взвешенный слой подразделяется на кипящий и фонтанирующий.

Кипящий слой характеризуется непрерывным и беспорядочным движением и перемешиванием частиц в определенном объеме по высоте, высоко развитой поверхностью соприкосновения материала с нагретым воздухом, так как при этом способе сушки каждая частица равномерно омывается со всех сторон потоком нагретого воздуха. Это приводит к равномерному нагреву материала и мгновенному удалению пограничного слоя испаряющейся влаги. Это позволяет применять повышенные температуры сушильного агента (110-180 0С в зависимости от вида материала).

В результате значительно сокращается процесс сушки, уменьшается воздействие теплоты на продукт, увеличивается удельная нагрузка материала, лучше сохраняются свойства продукта (по сравнению с низкотемпературной сушкой в неподвижном слое).

Переход частиц из неподвижного слоя в кипящий происходит при достижении критической скорости воздуха, который пронизывает слой высушиваемого материала. При увеличении скорости движения воздуха происходит разрыхление материала, увеличение его объема и переход частиц во взвешенное состояние.

Высота взвешенного слоя определяется для конкретной скорости движения воздуха. Это объясняется порозностью слоя и скоростью воздуха между частицами высушиваемого материала.

Порозность слоя — отношение объема воздуха между частицами к общему объему слоя, определяется по уравнению 1.24.

m = (V — V0)/V (1.24)

где: V — насыпной объем слоя, м3;

• V0 — суммарный объем частиц, м3.

Для «кипящего» слоя интервал порозности находится в пределах от 0,55 до 0,83. Увеличение скорости воздуха приводит к увеличению высоты кипящего слоя и увеличению порозности слоя.

Нижний предел кипящего слоя — неподвижный слой материала, верхний — скорость витания, при которой происходит совместное движение материала и воздуха. Критическая скорость должна быть меньше скорости витания, иначе высушиваемый материал будет уноситься с потоком воздуха. Критическая скорость не зависит от величины удельной нагрузки материала.

Скорость витания частиц различных пищевых продуктов (хвит., м/с) определяется по формуле 1.25:

хвит. = 1,2 + 5,4*Кф * (1.25)

где: Кф — динамический коэффициент формы, равный отношению скорости витания частицы данной формы к скорости витания равного по объму шара;

• dэ — диаметр частицы, м;
• см — плотность материала, кг/м3;

св — плотность воздуха, кг/м3

При дальнейшем увеличении скорость движения воздуха начинается фонтанирование. Гидравлическое сопротивление слоя меньше по сравнению с кипящим, оно составляет всего 12-30 % и не зависит от вида материала, формы и размера частиц, является величиной постоянной для данной конструкции камеры.

Скорость воздуха оказывает влияние на продолжительность сушки материала в «кипящем» слой только в период постоянной скорости. В период падающей скорости уменьшение влажности не зависит от скорости воздуха, так как она не ускоряет перемещение влаги внутри материала. Поэтому сушку пищевых продуктов проводят при минимальной скорости, которая обеспечивает устойчивое движение и перемешивание частиц разных размеров для того или иного материала (т.е. развитая стадия кипящего или фонтанирующего слоя).

Удельная нагрузка материала влияет на продолжительность сушки также только в период постоянной скорости сушки. При увеличении удельной нагрузки в 4 раза происходит снижение скорости сушки в этот период за счет снижения потенциала сушильного агента в 1,2 раза. Удаление связанной влаги (остаточной), которое происходит в период падающей скорости сушки, не зависит от удельной нагрузки материала. Оптимальные удельные нагрузки при сушке в «кипящем» слое составляют, в кг/м2: для овощей и круп 100-120; для плодов — 60-80.

Применение высоких температур при сушке приводит к интенсификации удаления остаточной влаги за счет перемещения ее внутри материала в виде пара, испарением влаги внутри частиц. Поэтому продукты можно высушивать до остаточного влагосодержания 1-2 % за небольшой промежуток времени. Глубокая сушка приводит к увеличению продолжительности хранения готового продукта.

Частицы материала в процессе сушки при высоких температурах не дают усадки, сохраняют первоначальную форму и объем. Мелкопористое строение растительных тканей снижают парциальное давление над поверхностью высушиваемых частиц и уменьшают температуру кипения. Происходит интенсивное образование пара внутри частиц, зоной испарения становится весь объем, и усадки продукта не происходит. Но это возможно лишь при развитой поверхности кипящего слоя при равномерном нагреве частиц со всех сторон. Полученные при сушке частицы имеют пористое строение, имеют высокий коэффициент набухаемости (увеличение объема частицы при поглощении воды) и небольшую продолжительность разваривания.

При сушке круп в кипящем слое практически не меняется содержание крахмала, белков и сахаров. Это способствует сохранению высокой пищевой ценности продуктов.

Продолжительность сушки в зависимости от температуры сушильного агента приведена в таблице 1.7 .

Таблица 1.7 — Продолжительность сушки продуктов в кипящем слое

Вид высушиваемого продукта	Остаточная влажность, %	Температура сушильного агента на входе, 0С
		100	110	120	130	140	150
		Продолжительность сушки в мин
Картофель (8х8х8 мм)	15	135	96	70	42	31	30
Картофель (8х8х8 мм)	8	166	106	75	44	32	31
Зеленый горошек	14	80	42	34	21	18	14
Морковь (10х10х10 мм)	10	70	55	50	42	36	32
Морковь (10х10х10 мм)	4	79	65	54	45	40	35
Лук (кольца d= 3 мм)	10	24	21	18	17	14	11
Лук (кольца d= 3 мм)	4	34	25	22	20	16	13
Капуста (d= 3 мм)	10	44	25	21	19	17	—
Капуста (d= 3 мм)	6	48	27	23	21	18	—
Хурма (20х20х20 мм)	20	120	100	90	72	64	—
Гречневая крупа	10	36	34	24	18	16	13
Гречневая крупа	5	71	63	42	31	26	18

Оптимальными температурами для сушки пищевых растительных материалов являются следующие, 0С: для картофеля (в зависимости от сорта) — 110-150; зеленого горошка -130-140; моркови и свеклы — 110-160 0С; лука и капусты — 110-120; яблок и айвы — 110-120; абрикосов и груш — 90-100; хурмы — 160-180.

2.4 Сушка во вспененном состоянии

Этот способ используется для сушки пюре, паст, пульпы концентрированных соков. Сущность способа состоит в том, что пюреобразный или концентрированный жидкий продукт взбивается в стойкую пену в присутствии пеностабилизирующих веществ и высушивается до низкой остаточной влажности (2-4 %).

Вспенивание придает продукту более жесткую структуру и увеличивается поверхность для диффузии влаги. С точки зрения теплопередачи способ недостаточно эффективен, так как пена имеет низкую теплопроводность. Тем не менее способ не требует высокой температуры и продолжительность его составляет от 3 до 20 мин. Стойкую пену получают при взбивании с эмульгатором, который добавляют в количестве 1-2 % к массе продукта. В качестве эмульгаторов используют: моностеарат глицерина, метилцеллюлозу, яичный альбумин, желатин, сухое молоко, растворимый крахмал, альгинаты и др. Сушат пену разными способами: равномерно распределяют тонким слоем на транспортной ленте из нержавеющей стали и сушат встречным потоком воздуха; выдавливают из специальных устройств — экструдеров на ленту в условиях вакуума. При прохождении сушильного агента через пену в ней образуются кратеры, и пена быстро высыхает. Высушенный продукт измельчают и просеивают.

Преимущества способа: обеспечивает быстрое получение полностью восстанавливаемого продукта с максимальным сохранением вкусовых и пищевых достоинств сырья. По качеству способ может конкурировать с сублимационной сушкой, но он значительно дешевле.

3. Кондуктивный способ сушки

Этот способ сушки широко применяется для обезвоживания фруктовых и овощных пюреобразных продуктов, в том числе и картофельного пюре.

Кондуктивный (контактный) способ основан на передаче теплоты материалу при соприкосновении с горячей поверхностью. Воздух при этом способе служит только для удаления водяного пара из сушилки и является влагопоглотителем. Коэффициент теплоотдачи при этом способе в десятки раз выше, чем при конвективной сушке.

Температура в разных слоях материала различна: наибольшая — у слоя, который контактирует с греющей поверхностью, наименьшая — у наружного слоя. Влагосодержание в процессе сушки данным способом постепенно увеличивается от слоев, соприкасающихся с нагретой поверхностью, к наружным слоям. Горячая поверхность чаще всего обогревается водяным паром, температура которого выше 100 0С, поэтому слои материала, контактирующие с горячей поверхностью, могут достичь этой температуры и происходят местные перегревы. Из-за этого степень растворимости сухих продуктов, полученных по данному способу, составляет 80-85 %. Обязательное условие при данном способе сушки — хороший контакт материала с греющей поверхностью.

Сушка происходит в вальцовых сушильных установках. Продолжительность сушки определяется одним поворотом вальцов.

Продолжительность сушки определяется по формуле 1.26:

ф = (1.26)

где: l — длина пути, пройденного высушиваемой частицей вдоль вальца, м;

• n — частота вращения вальца (1 об/мин = 1 мин-1 = 0,10472 рад/с);
• R — радиус вальца, м.

Продукт высушивается в виде тонкого слоя. Толщина пленки высушиваемого материала при условии, что ширина пленки равна длине вальца, определяется по формуле 1.27:

д = (1.27)

где: М1 — количество материала, поступающего на сушку, кг/ч;

• см — плотность высушиваемого материала, кг/м3;
• L — длина вальца, м.

Схема двухвальцовой сушильной установки приведена на рисунке 1.4.

Эти сушилки непрерывнодействующие. Производительность их составляет 250-500 кг испаренной влаги в час. Имеют два полых цилиндрических вальца (5).

Наружная поверхность вальцов шлифуется и полируется. С торца вальцы закрыты съемными крышками и цапфами. Одни цапфы (6) сплошные для привода, другие (8) полые, через них вводится пар и отводится конденсат (по сифонной трубке 9, которая соединяется с конденсатоотводчиком).

Давление пара в вальцах 0,3-0,5 МПа. Зазор между вальцами регулируется от 0 до 6 мм ( в рабочем положении зазор равен 1-2 мм).

Над вальцами расположен вытяжной зонт (4) для удаления испаренной влаги. Вальцы вращаются с одинаковой частотой (4-24 мин-1) навстречу друг другу. Продукт для сушки поступает либо в специальные желоба (2), которые расположены снаружи посередине обоих вальцов, это позволяет увеличить полезную площадь их поверхности до 85-87 %. В желобах на горизонтальных валах закреплены диски (1).

При вращении валов они погружаются в продукт и покрываются его слоем. Для снятия сухого продукта устанавливаются ножи (3).

Продукт высушивается в виде тонкой пленки за один оборот вальцов. Продолжительность сушки (одного оборота) составляет от 2,5 до 15 с.

Преимущества способа: интенсивность сушки (из-за высокого коэффициента теплопередачи между греющей поверхностью и материалом), благодаря этому продукт быстро обезвоживается; невысокие затраты энергии; простота; невысокая стоимость оборудования.

Недостатки способа: продукт подвергается механическому воздействию — его срезают ножами, затем размалывают в порошок, поэтому качество ниже, чем при распылительной сушке. При соприкосновении продукта с нагретыми вальцами происходит необратимая тепловая коагуляция белков; термическое разложение сахаров и изменение цвета.

4. Сушка термоизлучением

Сушка термоизлучением — использование инфракрасных лучей (ИКЛ).

ИКЛ — невидимые тепловые лучи с длиной волны от 0,77 до 340 мкм.

Для сушки пищевых растительных материалов практическое применение нашли коротковолновые инфракрасные лучи с длиной волны около 1,6-2,2 мкм. При этом способе сушки к материалу подводится тепловой поток в 30-70 раз мощнее, чем при конвективной сушке. Скорость сушки увеличивается по сравнению с конвективной, но не пропорционально увеличению теплового потока. Это объясняется тем, что скорость сушки зависит не столько от скорости передачи тепла, сколько от скорости перемещения влаги внутри материала. Для сохранения высоких показателей качества высушенного продукта применение мощных потоков ИКЛ не рекомендуется.

Количество теплоты, переданной инфракрасными лучами (Q), зависит от приведенной степени черноты тела (е), взаимного расположения поверхности излучения и поглощения (ш) и от разности абсолютных температур источника излучателя (Т1) и поглощающего материала (Т2) и определяется по уравнению 1.28.

Q = е1-2*ш*[(T1/100)4 — (T2/100)4] (1.28)

е1-2 = С1*С2/С20 (1.29)

где: С — коэффициент излучения серого тела, Вт/(м2*К);

• С0 — коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,7 Вт/(м2*К);
• С1 и С2 — коэффициенты излучения, соответственно источника ИКЛ и высушиваемого материала, Вт/(м2*К).

Для ускорения процесса сушки необходимо, чтобы инфракрасные лучи проникали в материал на достаточную глубину. Это зависит от пропускной способности материала и от длины волны ИКЛ: чем меньше длина волны, тем выше проникающая способность инфракрасных лучей. Проницаемость пищевых растительных материалов увеличивается с уменьшением толщины слоя и с понижением влажности материала. Например, проницаемость ИКЛ в сырой картофель составляет 6 мм, в сухой — 15-18 мм.

При сушке материалов с малой проницаемостью может произойти быстрое высушивание поверхностного слоя и высокие градиенты температуры и влажности внутри материала приведут к растрескиванию. При сушке ИКЛ в материале возникают перепады температур, под действием которых влага перемещается по направлению теплового потока внутрь материала.

Для растительных материалов рекомендуется прерывистое облучение. В период прекращения подачи ИКЛ из-за интенсивного испарения температура поверхности резко снижается, температурный градиент меняет свое направление (т.к. температура внутри выше, чем на поверхности) и влага перемещается из центральных слоев к поверхностным, где и испаряется. Параметры сушки ИКЛ приведены в таблице 1.8.

Таблица 1.8 — Параметры сушки ИКЛ

Вид овощей	Удельная нагрузка, кг/м2	Продолжительность сушки, ч	Расход энергии
			кВт*ч/м2	кВт*ч кг сырья
Зеленый горошек	8	2,16	7,8	0,97
Морковь	10	3	10,8	1,08
Капуста	7	1,5	5,4	0,77
Картофель толщиной: 5 мм 10 мм 20 мм	10 20 40	2 3 6	10 15 30	1,0 0,75 0,75

По характеру ИКЛ различают терморадиационные сушилки с электрическим и газовым обогревом. Сушилки с электрическим обогревом компактны, но высокий расход электроэнергии и неравномерность сушки ограничивает их применение. Сушилки с газовым обогревом более экономичны и обеспечивают более равномерную сушку.

5. Сушка токами высокой частоты

При высокочастотной сушке подвод тепла осуществляется с помощью поля электрического тока высокой (10-25 мГц) и сверхвысокой (2000-2500 мГц) частоты. Влажные материалы растительного происхождения являются диэлектриками, обладают свойствами полупроводников. В их состав входят ионы электролитов, электроны, молекулы полярных и неполярных диэлектриков, обладающие дипольными моментами. В электромагнитном поле диполи располагаются осью вдоль поля. Попадая в переменное электромагнитное поле, они совершают колебательные движения, стремясь следовать за полями.

При сушке материал помещается между обкладками конденсатора, к которым подается ток высокой или сверхвысокой частоты. Обкладки имеют противоположные заряды, поэтому ионы и электроны перемещаются внутри материала к той или иной обкладке. При смене заряда на обкладках они перемещаются в противоположных направлениях, в результате возникает трение с выделением теплоты. Диполи в переменном электрическом поле будут колебаться то в одну, то в другую сторону, в результате также возникает трение с выделением тепла. Энергия электромагнитных волн, затрачиваемая на преодоление этих трений, будет превращаться в тепло.

В электрическом поле высокой и сверхвысокой частоты нагрев частиц растительного материала происходит за доли секунды. Под действием переменного электрического поля высокой частоты происходит регулируемый нагрев материала. Из-за испарения влаги, тепло- и массообмена с окружающей средой поверхностные слои обезвоживаются и теряют тепло. Поэтому температура и влажность материала внутри выше, чем снаружи. Возникают градиенты температуры и влагосодержания, за счет которых влага изнутри перемещается к поверхности. При этом, в отличие от конвективной сушки, направление обоих ингредиентов совпадает, что интенсифицирует процесс сушки.

При этом способе сушки испарение происходит по всему объему. Изменяя напряженность поля, можно регулировать температуру материала при сушке.

Количество теплоты, выделяемой из 1 м3 материала (Q), определяется по формуле 1.30:

Q = 0,556*E2*н*е*tgд*10-3 (1.30)

где: Е — напряженность электрического поля, В/м;

• н — частота поля, Гц;
• е — относительная диэлектрическая проницаемость материала;
• д — угол диэлектрических потерь (он дополняет од 900 угол сдвига фаз между током и напряжением в конденсаторе, между обкладками которого помещен материал).

Диэлектрическая проницаемость определяет способность перехода энергии электромагнитных волн в теплоту, способность материала реагировать на внешнее электромагнитное поле и зависит от физико-химических свойств, температуры и влагосодержания материала, от частоты и напряженности электрического поля. Изменение диэлектрической проницаемости приводит к изменению режима работы сушильных установок. Диэлектрическая проницаемость сухих материалов значительно меньше, чем воды. Чем меньше значение диэлектрической проницаемости, тем на большую глубину материала проникают электромагнитные колебания тока сверхвысокой частоты.

Преимущества способа: возможность регулирования и поддержания температуры внутри материала.

Недостатки способа: высокие затраты электроэнергии, сложное оборудование и обслуживание. Сушка дороже конвективной в 3-4 раза.

Токи высокой частоты используются в настоящее время для интенсификации сублимационной сушки.

6. Комбинированные способы сушки

Комбинированные способы сушки применяются с целью повышения экономичности процесса и снижения расхода электроэнергии. К таким способам относятся различные комбинации известных способов сушки: конвективно-высокочастотная, радиационно-высокочастотная, радиационно-конвективная, радиационно-контактная и др. Конвективно-высокочастотная сушка- чередование конвективной сушки и сушки токами высокой и сверхвысокой частоты. Высокочастотную установку включают либо в периоде уменьшающейся скорости сушки для удаления связанной влаги, либо периодически для создания положительно направленного температурного градиента внутри материала. Удаление свободной влаги происходит за счет подвода тепла от нагретого газа. При том сокращается продолжительность процесса. Радиационно-высокочастотная сушка — применяют либо нагрев пластин высокочастотного конденсатора, которые одновременно являются излучателями, либо чередуют нагрев электродов и излучающих панелей. Тепло распределяется внутри высушиваемого материала более равномерно — это приводит к повышению качества готового продукта. Радиационно-конвективная сушка — заключается в сочетании нагрева ИК-лучами с подводом теплого воздуха. Сушка производится в виброкипящем слое. Воздух подается со скоростью 2-2,5 м/с и температурой 105 0С. Продукт обогревается равномерно и более интенсивно, чем при конвективном способе. Дополнительный подвод тепла за счет радиации ускоряет обезвоживание. Более эффективным является прерывистый режим облучения, так как при отключении генератора ИК-лучей происходит выравнивание температур в объеме продукта, температурный градиент меняет свой знак и влага направляется от центра к поверхности. Происходит ускорение процесса обезвоживания и корочка на поверхности не образуется. Длительность сушки составляет около 80 мин (110 мин при непрерывном ИК-облучении).

7. Вакуумная сушка

Вакуумная сушка основана на явлении понижения температуры кипения воды при уменьшении давления.

Сушку под вакуумом применяют для повышения качества готового продукта, так как процесс сушки происходит при более низкой температуре, чем в атмосферных условиях. При вакуумной сушке скорость испарения влаги повышается, так как она прямо пропорциональна разности давлений водяного пара у поверхности материала и в окружающем пространстве. Повышается также и экономичность процесса из-за отсутствия потерь тепла с уходящим воздухом. Тепло для испарения влаги при вакуумной сушке передается чаще всего контактным способом, реже — ИК-лучами. Механизм переноса тепла и влаги аналогичен переносу при контактной сушке.

Традиционная вакуумная сушка предусматривает наличие такого вакуума, при котором точка кипения воды находится выше 00С. Вода, испаряясь, переходит из жидкого состояния в газообразное и продукты при такой сушке деформируются также, как и при атмосферной. Вакуумные сушилки могут быть периодического или непрерывного действия. Периодические: распылительные, камерные. Непрерывные: ленточные, тоннельные. Температура сушки составляет 36-60 0С. Продолжительность сушки до остаточной влажности 2,5-3,5 % — 4-16 ч.

Способ применяется при сушке пастообразных овощных и фруктовых материалов или измельченных фруктов.

8. Сублимационная сушка

Сублимационная сушка — сушка пищевых продуктов, характеризующаяся фазовым переходом льда в пар в условиях глубокого вакуума.

На диаграмме фазового состояния чистой воды (рисунок 1.5) при определенных условиях можно наблюдать существование одновременно трех фаз. Это состояние называется тройной точкой. Для воды тройная точка характеризуется следующими параметрами: давление пара 613 Па; температура 0,0098 0С. Пограничные кривые делят диаграмму на три области, в которых вода может находиться в виде жидкости, твердого тела или пара.

Сублимация — процесс сушки, характеризующийся фазовым переходом льда в пар при значениях давления и температуры, лежащих ниже тройной точки.

При этом способе сушки отсутствует контакт высушиваемого материала с кислородом воздуха. Основное количество влаги (75-90 %) удаляется при сублимации льда при температуре продукта ниже 0 0С и только остаточная влага удаляется при температуре 40-60 0С. Полного вымораживания влаги в продукте достичь не удается. Небольшое ее количество не вымерзает даже при очень низких температурах.

Продукты такой сушки отличаются высоким качеством, хорошо сохраняют пищевые ингредиенты, обладают повышенной восстанавливающей способностью, имеют незначительную усадку, имеют пористое строение.

При сублимационной сушке происходит резкое увеличение удельного объема пара. Если при атмосферном давлении объем 1 кг пара составляет 1,72 м3, то при остаточном давлении 133 Па — 1000 м3, а при 13,3 Па — 10000 м3. Т.е. объем, занимаемый 1 кг вторичного пара в 1-10 млн. раз больше объема 1 кг льда.

Процесс сублимационной сушки подразделяется на три этапа.

Первый — замораживание продукта. Оно происходит в скороморозильных установках или сублиматоре. В процессе увеличения вакуума материал охлаждается и самозамораживается за счет затраты теплоты на интенсивное испарение. В этот период испаряется 10-15 % всей влаги без подвода тепла за счет выделения теплоты плавления льда при замерзании воды. Образование кристаллов происходит постепенно путем углубления зоны кристаллизации. Окончание замораживание определяется при достижении температуры внутри продукта от минус 5 до минус 20 0С. Продолжительность замораживания составляет 10-15 мин. Если продолжительность замораживания более высокая, то возможно образование крупных кристаллов льда, которые могут разрушить клетки ткани и привести к ухудшению качества готового продукта. Основное условие замораживания: максимальное количество влаги должно быть превращено в лед; размеры кристаллов должны быть минимальными и они должны быть равномерно распределены по всему объему для интенсивного тепло- и массообмена при сублимационной сушке. Замораживают также и жидкие продукты во избежание вспенивания.

Вакуум-замораживание неприемлемо при сублимационной сушке фруктовых соков, пюре, ягод и фруктов, так как это приводит к значительным изменениям физико-химических и структурных свойств продукта.

Второй период сушки — сублимация — период постоянной скорости сушки. В этот период удаляется основная масса влаги (60 % и более).

Чем больше влаги удаляется в этот период, тем лучше сохраняются свойства продукта. В этот период появляется температурный градиент по толщине продукта. По мере сублимации льда сначала повышается температура поверхностного слоя, затем последующих слоев. После испарения всего льда температура высушиваемого продукта повышается, становится выше 00С и приближается к температуре окружающей среды. Продолжительность этого периода зависит от величины остаточного давления в сублиматоре, интенсивности подвода теплоты, температуры продукта, скорости удаления паровоздушной смеси. Интенсивность сушки в этот период равна интенсивности испарения.

Третий период сушки — удаление остаточной влаги — период убывающей скорости сушки. К началу этого периода заканчивается сублимация льда и температура продукта положительная. В этот период удаляется связанная влага, не замерзшая в продукте. Скорость сушки зависит от интенсивности подвода теплоты в углубленную зону испарения и удаление пара из зоны испарения через высохшие слои к поверхности материала. На интенсивность испарения влияют структура, пористость высушиваемого продукта, форма, размер частиц. Скорость сушки уменьшается, а температура продукта повышается. В этот период удаляется 10-20 % всей влаги.

В качестве теплоносителей применяют воду, трихлорэтилен, этиленгликоль и др. с температурой не выше 40-70 0С. Температурный предел устойчивости к нагреву зависит от свойств объекта сушки. Для пищевых продуктов это 40-50 0С. Для продуктов растительного происхождения рекомендуются более мягкие режимы досушивания при температурах 35-40 0С. Конечная влажность 3-4 %, в некоторых случаях (если предусмотрено хранение в течение нескольких лет) конечная влажность должна быть понижена до 1,5-2,0 %.

Общая продолжительность сушки во многом определяется и толщиной слоя материала. Если материал разместить толстым слоем, то продолжительность сушки составляет до 10 ч.

В последние годы проводятся исследования по использованию интенсивного подвода тепла при помощи ИК-лучей с длиной волны 0,8-1,5 мкм и токов высокой частоты 109-1010 Гц. При этом продолжительность сублимационной сушки сокращается в несколько раз.

В таблице 1.9 приводятся режимы сублимационной сушки различных овощей.

Таблица 1.9 — Параметры сублимационной сушки подготовленных овощей

Продукт	Температура сублимации, 0С	Толщина слоя овощей, мм	Температура, 0С	Продолжительность сушки, ч
			продукта	греющей поверхности
Картофель	-12	4-6	45	22-49	6,7
Зелень петрушки	-14	5-6	43	13-48	8,3
Морковь	-16	5-6	43	22-50	7,7
Свекла	-17	4	46	13-49	12,2
Белые коренья	-14	5-7	43	22-50	7,7
Лук	-17	3-4	46	10-48	11,0
Капуста	-12	4	46	16-50	9,5

Сублимационная сушка широко используется в европейский странах, США, Китае для пищевых продуктов, лекарственных препаратов, ферментов, заквасок и др. В России сублимационная сушка, в основном, применяется в медицинской промышленности. Имеются единичные установки, используемые для сублимационной сушки пищевых продуктов. Они рассчитаны на единовременную загрузку сырья от 300 до 1000 кг. Особенность этих установок — радиационный подвод энергии к объекту сушки.

Преимущества способа: получаются продукты высокого качества; легко поглощают при восстановлении влагу (могут восстанавливаться даже в холодной воде); сохраняют первоначальные объем, цвет, вкус, летучие компоненты; могут храниться длительное время в помещениях с нерегулируемой температурой.

Недостатки способа: продукты имеют низкое содержание влаги (2-4 %) и имеют сильно развитую поверхность, поэтому очень чувствительны к поглощению влаги и окислению кислородом воздуха липидов, витаминов, ароматических веществ; для упаковки используют специальные материалы, которые предохраняют продукты от воздействия влаги, кислорода и света; способ дорогой.