5.5. Кристаллизация и растворение

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Сущность процесса и область применения. Кристаллизацией называют процесс выделения твердой фазы в виде кристаллов из растворов и расплавов. Кристаллы представляют собой од­нородные тела различной геометрической формы, ограниченные плоскими гранями. Каждому химическому веществу или соеди­нению, которые способны образовывать кристаллы, соответ­ствует одна или несколько кристаллических форм. Явление об­разования нескольких кристаллических форм носит название полиморфизма. Кристаллы, которые включают в себя молекулы воды, называют кристаллогидратами.

Процессы кристаллизации нашли широкое применение в пищевой промышленности при производстве сахара, соли, сгущенного молока, молочного сахара и многих других про­дуктов. В, общественном питании кристаллизацию применяют в тех случаях, когда надо очистить сахар, соль, лимонную кис­лоту и другие растворимые и кристаллизующиеся про­дукты.

Механизм и кинетика процессов кристаллизации. Процесс кристаллизации проводят в водных растворах путем снижения растворимости кристаллизуемого вещества. Для этого снижают температуру раствора либо удаляют из него растворитель. Ра­створ, оставшийся после выделения из него кристаллов, назы­вают маточным.

Известно, что растворимость большинства твердых веществ повышается с увеличением температуры растворителя. Однако имеются некоторые вещества, растворимость которых с повыше­нием температуры уменьшается. Есть также вещества (напри­мер, поваренная соль), растворимость которых в зависимости от температуры изменяется незначительно.

Растворимость вещества, увеличивающаяся с повышением температуры, называется положительной. В случае ее уменьше­ния она называется отрицательной.

Известно, что каждое вещество в зависимости от вида раст­ворителя и главным образом от температуры нагревателя этого вещества имеет свой предел растворимости. Когда вещество больше не растворяется, в системе находятся две фазы – жид­кая и твердая. Раствор, соответствующий такому равновесному состоянию, называется насыщенным. Если же температуру ра­створа понизить, то он перейдет из состояния насыщенного в перенасыщенный. Перенасыщенные растворы неустойчивы и легко переходят в насыщенные. Часть твердого вещества из них выделяется в виде кристаллов. На этом, собственно, и основано одно из направлений промышленного проведения кристаллиза­ции. Перевести неравновесный перенасыщенный раствор в со­стояние равновесного насыщенного с одновременным выделе­нием кристаллов можно путем испарения или выпаривания ча­сти растворителя.

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий. На первой стадии образуются зародыши (центры) кристаллизации, на вто­рой стадии происходит рост кристаллов.

Для получения однородных по размерам кристаллов прибе­гают к использованию так называемой затравки. Затравка – это мельчайшие частицы кристаллов или даже мельчайшие кри­сталлы того же вещества, которые вносятся в перенасыщенный раствор. Каждая из частиц затравки представляет собой центр кристаллизации.

Образовавшиеся кристаллы имеют разные размеры. Напри­мер, мелкие кристаллы сахарозы имеют массу 0,0001 г, круп­ные – 1,5 кг.

В зависимости от назначения кристаллизации возникает не­обходимость получать крупные кристаллы. Иногда требования предусматривают получение мельчайших кристаллов. В первом случае легко кристаллы отделить от маточного раствора. Полу­чение мелких кристаллов необходимо при производстве, напри­мер, сгущенного молока с сахаром. Для получения высокока­чественного продукта необходимо иметь кристаллы размером не более 10 мкм. Иначе продукт будет иметь песчанистую консис­тенцию.

Мелкие кристаллы необходимо получать при изготовлении помадки из сахарного сиропа, которую часто производят в об­щественном питании.

Способы кристаллизации и кристаллизаторы. Процесс кристаллизации может быть осуществлен четырьмя способами. Пер­вый способ заключается в получении перенасыщенного ра­створа путем его охлаждения. Он применяется в случаях, когда растворимость вещества уменьшается с понижением темпера­туры. Второй способ применяется, когда растворимость веще­ства с понижением температуры повышается или уменьшается очень незначительно. Суть этого способа заключается в испа­рении или выпаривании растворителя.

Третий способ основан на одновременном охлаждении про­дукта и испарении растворителей. Четвертый способ кристал­лизации называют высаливанием. Его сущность может быть пояснена на следующем примере. При кристаллизации поварен­ной соли добавляют MgCl₂, что приводит к понижению раство­римости NaCl, т. е. к образованию перенасыщенного раствора.

Простейшие кристаллизаторы, работающие по первому спо­собу, представляют собой резервуары с рубашкой и мешалкой (рис. 59). Мешалка позволяет ускорить охлаждение раствора и предотвращает осаждение кристаллов на дно аппарата.

Схема кристаллизатора, работающего по третьему способу, приведена на рис. 60. Внутри кристаллизатора расположена змеевиковая мешалка. Одновременно она является теплообменником. Через теплообменник движется хладагент (вода), который поступает также в рубашку. Для удаления образовавшихся паров кри­сталлизатор связан с конденсатором и вакуум-насосом. В аппа­рат поступает горячий насыщенный раствор, имеющий темпе­ратуру выше температуры его кипения. В результате этого возникает эффект самоиспарения, благодаря которому концентра­ция раствора растет, он становится перенасыщенным. Перена­сыщенность усугубляется охлаждением раствора.

Для получения кристаллизованных жиров с целью их фрак­ционирования и облагораживания используют аппараты с ох­лаждающими рубашками. Мешалки в этом случае не приме­няют. Жир, охлаждаясь, образует слои различных фракций и примесей, которые потом отделяют механическим способом.

Рис. 59. Схема кристаллизатора с рубашкой:

1 – патрубок для отво­да холодной воды; 2 – рубашка; 3 – резервуар аппарата;

4 – вал с ме­шалкой; 5 – патрубок для подачи холодной воды

Рис. 60. Схема кристаллизатора с системой охлаждения и вакуумирования:

1 – корпус кристаллизатора; 2 – рубашка; 3 – змеевиковая мешалка;

4 – патрубок для выхода воды; 5 – патрубок, сое­диняющий кристаллизатор с конденсатором и вакуум-насо­сом; 6 – патрубок для входа продукта;

7 – патрубок для по­дачи воды;

8 – патрубок для выпуска продукта или маточ­ного раствора и кристаллов

РАСТВОРЕНИЕ

Сущность и назначение процесса. Процесс растворения во многих случаях является сопутствующим при проведении дру­гих массообменных и тепловых процессов. Он имеет место при адсорбции, абсорбции и ректификации, варке и жарке, экс­тракции.

Растворение твердых тел относят к процессам с фиксиро­ванной поверхностью фаз, так как всегда имеется выраженная граница раздела между жидкостью и твердым веществом.

В общественном питании процессы растворения в производ­стве кулинарной продукции играют как вспомогательную, так и основную роль. Приготовление, например, сахарных сиропов, рассолов, безусловно, является вспомогательным процессом, но совершенно необходимо. Для выработки многих кулинарных из­делий, составляющими компонентами которых являются сахар и соль, процессы растворения приобретают основную роль. Ос­новную роль процесс растворения выполняет при производстве продукции на основе сухого сырья. Так, приготовление бульо­нов, мороженого, восстановленного молока, киселей, муссов из сухих полуфабрикатов может быть эффективным, если рационально проведен процесс растворения исходного сырья.

Приготовление многих кулинарных изделий из концентратов также связано с растворением отдельных входящих в них ком­понентов.

Процесс ра­створения твердых веществ в жидкостях состоит из трех стадий: перенос молекул растворителя из объема жидкой фазы к поверхности твердого тела; переход молекул твердого тела в жидкость, контактирующую с ним; перенос молекул от по­верхности твердого тела в объем жидкости.

Как показывает анализ процесса растворения, лимитирую­щей является последняя стадия. Это объясняется тем, что наи­большее сопротивление массопереносу создает диффузионный пограничный слой на поверхности твердого тела. Считают, что на границе контакта с твердым телом раствор является насы­щенным. Поэтому движущей силой процесса является разность концентрации растворенного вещества в пограничном слое и во всем объеме жидкости.

Принцип работы аппаратов для растворения продуктов рассмотрим на примере аппарата для восстановления (растворения) сухих мо­лочных продуктов (рис. 61). Сухое молоко и вода поступают в загрузочный бункер, из которого они попадают в первый ци­линдр. В результате интенсивного перемешивания происходит равномерное распределение частиц сухого молока в воде, их набухание и растворение.

Рис. 61. Схема аппарата для восстановления (растворения)