Массообменные и тепловые процессы пищевых технологий

Массообменными называют такие технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую конвективной и молекулярной диффузией: абсорбция и адсорбция, перегонка и ректификация, экстракция, сушка, кристаллизация.

Массопередача - это процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия. Движущей силой массообменных процессов является разность между фактической и равновесной концентрациями переходящего вещества. Самопроизвольное достижение равновесной концентрации переходящего вещества в первой и второй фазах называется диффузией.

Абсорбцией называют процесс поглощения газов или паров (абсортивов) из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями - абсорбентами, т.е. имеет место переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую. Этот процесс является избирательным и обратимым, что позволяет применить его с целью получения растворов газов в жидкостях, а также для разделения газовых или паровых смесей (десорбция). В пищевой промышленности процессы абсорбции применяют для очистки отводящих газов с целью улавливания ценных продуктов или обезвреживания газосбросов (например, в пивоваренной промышленности - утилизация диоксида углерода, образующегося при брожении пивного сусла).

В различных пищевых технологиях, например, для очистки диффузионного сока и сахарных сиропов, осветления пива и фруктовых соков, очистки от органических примесей спирта, коньяка, водки и вин и др., используют процесс адсорбции. Адсорбцией называют процесс поглощения газов или паров из газовых смесей или растворенных веществ из растворов твердыми поглотителями - адсорбентами. В пищевых производствах широко используются следующие адсорбенты: активные угли, силикагели (гели кремниевой кислоты), цеолиты, глины и др.

При физической адсорбции имеет место взаимное притяжение молекул адсорбента и адсорбтива (поглощаемого вещества) под действием сил ван-дер-ваальса. При химической адсорбции (хемосорбции) характерно образование химической связи между молекулами поглощенного вещества и адсорбента, что является результатом химической реакции. Процесс адсорбции избирателен и обратим, благодаря чему возможно поглощение одного или нескольких компонентов, а затем в определенных условиях выделение их из адсорбента.

Перегонка и ректификация - наиболее распространенные методы разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или нескольких летучих компонентов, т.е. имеет место переход веществ из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую. Процессы перегонки (дистилляции) и ректификации широко применяют при получении этилового спирта, в производстве ароматических веществ. Дистилляцией получают коньячный спирт, винный спирт, используемые в производстве коньяка, виски, бренди, рома и др. Перегонку используют для грубого разделения смесей, ректификацию - для наиболее полного их разделения. Эти процессы основаны на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Компонент смеси, обладающий большей летучестью, называется легколетучим, кипит при более низкой температуре, чем компонент, обладающий меньшей летучестью (труднолетучий). Поэтому их называют также низкокипящим и высококипящим компонентами. В результате перегонки или ректификации исходная смесь разделяется на дистиллят, обогащенный легколетучим компонентом, и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

При экстракции происходит извлечение одного или нескольких веществ из растворов или твердых веществ с помощью растворителей. При экстракции в системе «жидкость - жидкость» имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу. Экстракцию широко применяют для извлечения ценных веществ из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов.

Частным случаем экстракции является выщелачивание. Процесс извлечения веществ из твердого тела с помощью растворителей называют выщелачиванием. В данном случае имеет место переход вещества из твердой фазы в жидкую. Выщелачиванием в пищевых производствах обрабатывают капиллярно-пористые тела растительного и животного происхождения.

В качестве растворителей применяют:

- воду - для экстрагирования сахара из свеклы, кофе, чая, для обезжиривания кости в производстве животных жиров, при получении студней и зельцев в мясоперерабатывающей промышленности и др.;

- спирт или водно-спиртовую смесь - для получения настоев, морсов в ликероводочном и пивобезалкогольном производствах;

- органические растворители (бензин, трихлорэтилен, дихлорэтан) - в маслоэкстракционном и эфиромасличном производствах, в производстве клея и желатина.

Сушка - это удаление влаги из твердых влажных, пастообразных или жидких материалов путем ее испарения и отвода образовавшихся паров. В этом процессе имеет место переход влаги из твердого материала в паровую или газовую фазу. Скорость его во многих случаях определяется скоростью внутридиффузионного переноса влаги в твердом теле.

В производстве многих пищевых продуктов (молочных и фруктово-ягодных консервов, колбасных изделий, рыботоваров, солода, пищеконцентратов и др.) сушка, как правило, является обязательной операцией и представляет собой достаточно энергоемкую технологическую стадию процесса. При производстве некоторых пищевых продуктов сушке может предшествовать частичное удаление свободной влаги из материалов другими методами, например, отжатием на прессах, центрифугированием, выпариванием с целью повышения концентрации сухих веществ (сгущение при производстве сухого молока). При выборе метода сушки необходимо учитывать то, что пищевые материалы обладают рядом отличительных свойств: низкой термостойкостью, склонностью к окислению и деструкции, склонностью к короблению и потере товарного вида, наличием активных биохимических (ферментов, заквасок микроорганизмов) и химически активных веществ. Поэтому необходимо применение комбинированных способов подвода теплоты, что позволяет наиболее рационально нагревать материал до температуры сушки. Рациональным является также применение комбинированных сушильных агрегатов (например, сочетание распылительной сушки с сушкой в псевдоожиженном слое).

По способу подвода теплоты к высушиваемому материалу методы сушки делят на следующие:

- конвективную, или воздушную, сушку - подвод теплоты осуществляется при непосредственном контакте сушильного агента с высушиваемым материалом;

- контактную сушку - путем передачи теплоты от теплоносителя (например, насыщенного водяного пара) к материалу через разделяющую их стенку;

- радиационную сушку - путем передачи теплоты инфракрасными излучателями;

- диэлектрическую сушку (СВЧ-сушку) - путем нагревания материала в поле токов высокой частоты;

- сублимационную сушку - сушку в глубоком вакууме в замороженном состоянии.

Кристаллизация является одним из распространенных и наиболее эффективных методов получения вещества в чистом виде. При кристаллизации из жидкой фазы выделяется вещество в виде кристаллов различной геометрической формы, ограниченных плоскими гранями. При этом имеет место переход вещества из жидкой фазы в твердую в результате возникновения и роста кристаллов в растворе. Кристаллизацию, как правило, проводят из водных растворов. При понижении температуры или удалении части растворителя уменьшается растворимость твердого вещества. Раствор становится пересыщенным, и твердое вещество выпадает из раствора в осадок.

В пищевой технологии выделение твердой фазы из растворов или расплавов в виде кристаллического продукта является завершающей стадией технологического процесса получения сахарозы, глюкозы, соли и других кристаллических продуктов. Однако в некоторых производствах кристаллизация как явление имеет место в сочетании с другими процессами. Например, при производстве сливочного масла методом преобразования высокожирных сливок многократное перемешивание резко охлажденных слоев сливок с теплыми способствует массовому образованию центров кристаллизации. Наступает критический момент массового разрушения оболочек жировых шариков, и происходит обращение фаз (молочный жир переходит из жидкого состояния в твердое).

К теплообменным относятся такие технологические процессы, в которых осуществляется подвод или отвод теплоты: нагревание и охлаждение, испарение (в том числе и выпаривание), конденсация. Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку называется теплопередачей. Теплоноситель - это движущаяся среда (газ, пар, жидкость), используемая для переноса теплоты. В качестве теплоносителей в пищевой промышленности наибольшее распространение получили насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы, воздух, а в качестве хладагентов - аммиак, фреоны, рассол хлорида кальция, воздух, азот.

Нагревание как технологическая стадия присутствует практически во всех пищевых производствах. Например, при непосредственном контакте теплоносителя (насыщенного водяного пара) с нагреваемым продуктом осуществляется вытопка пищевого животного жира из мягкого жиросырья, варка колбасных и соленых изделий. Дымовые газы используются для копчения мясо- и рыбопродуктов, колбас. Горячий воздух (или инертный газ) применяется при получении сухих молочных продуктов и т.д. Нагревание через контактную стенку, например пастеризация или стерилизация, занимает очень важное место в любой пищевой технологии. Например, в молочной промышленности эта операция является обязательной при получении любых молочных продуктов, т.к. преследуется цель инактивации микрофлоры для правильного осуществления дальнейшего технологического процесса.

Для охлаждения продуктов в пищевой технологии до 15-20 °С используют воду и воздух. Для охлаждения продуктов до более низких температур используют низкотемпературные хладагенты - холодильные рассолы, хладоны, аммиак и др. Охлаждение также является очень важной стадией в пищевых производствах. Сырье, полуфабрикаты и готовую продукцию охлаждают после термообработки для дальнейших операций. Холодильная обработка используется как вариант консервирования и резервирования продуктов.

Выпаривание - это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или малолетучих веществ путем испарения летучего растворителя и отвода образовавшихся паров. В пищевой технологии выпаривают, как правило, водные растворы (сахарные сиропы, овощные соки для получения паст, молоко и др.).

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: