2. Сорбційні процеси та їх застосування

Процес сорбції, тобто поглинання газів або розчинених речовин твердими матеріалами або рідинами може протікати за різними механізмами. Як вам уже відомо, сорбція може бути 4 типів – абсорбція, адсорбція, хемосорбція і капілярна конденсація.

Різниця між процесами абсорбції і адсорбції в тому, що при абсорбції речовина поглинається усім об’ємом рідини, а при адсорбції – тільки поверхнею поглинача, тобто адсорбенту.

Найбільше практичне значення мають поглинання і віддача продуктами води. Зволоження продукту, тобто сорбція водяних парів продуктом, відбувається тоді, коли тиск водяних парів у поверхні перевищує тиск водяних парів на його поверхні, який виникає в результаті випаровування частини вільної води самого продукту. Поглинання вологи продуктом у цьому випадку відбувається як за рахунок утворення тонкого шару на його поверхні (адсорбція) і шляхом об’ємного поглинання (абсорбція) гідрофільними речовинами, так і в результаті капілярної конденсації (при наявності макро- і мікро капілярів). Віддача вологи (десорбція) продуктом відбувається при більшому тиску водяних парів на поверхні продукту у порівнянні з тиском водяного пару у повітрі. Процес зволоження і віддачі продуктом відбувається до рівноважної вологості, при якій тиск водяного пару у повітрі і на поверхні продукту становиться рівним.

У харчових виробництвах процеси абсорбції і адсорбції займають значне місце. Наприклад, процес абсорбції має місце при насиченні мінеральної води та різних напоїв двоокисом вуглецю, адсорбції – при очищенні соків і вин. В якості адсорбентів використовуються тверді пористі матеріали з великою питомою поверхнею – активне вугілля, силікагель, целюлозна маса, кізельгур, різні активовані глини та ін.

Розрізняють фізичну адсорбцію і хімічну, яка називається хемосорбцією. Фізична адсорбція обумовлена взаємним притягненням молекул адсорбенту і адсорбату під дією сил Ван-дер-Ваальса і не супроводжується хімічною взаємодією адсорбованої речовини з поглиначем.

При хімічній адсорбції в результаті хімічної реакції між молекулами поглиненої речовини і поверхневими молекулами поглинача виникає хімічний зв'язок.

Внаслідок сорбції продукти при зберіганні набувають небажаного стороннього запаху, зволожуються за рахунок пари води із повітря. Печиво, вафлі, сухарі розм’якшуються, втрачають крихкість, а такі продукти як розчинний кофе, борошно, сіль і цукор злежуються, карамельні вироби – втрачають форму.

Десорбція вологи із продуктів також несприятливо впливає на їх якість. В результаті випаровування змінюється форма, консистенція продукту, відбувається втрата маси, наприклад, усушка сиру, м’яса, яєць та ін. Випаровування вологи характерно для плодів і овочів. Воно призводить до зів’янення, ослаблення тургору клітин, порушення обміну речовин і псування. Величина втрат вологи продуктами залежить від температури, відносної вологості повітря, швидкості руху повітря, тари і способу укладення товару.

3. Процеси розчинення та кристалізації

Методи підготовки сировини різноманітні і залежать від виду сировини. фізичного стану і способів наступної обробки. Сировина, що розчиняється у воді або здатна утворювати з нею емульсії чи суспензії, дозується при безперервному способі виробництва за об’ємом. Підготовка сухої сипучої сировини – кухонна сіль, цукор, зернові продукти, борошняні вироби та ін., проводиться у спеціальних підготовчих приміщеннях, де готують цукрові сиропи, заливу з використанням солі, проводять попередню обробку круп та ін. У зв’язку з цим, такі компоненти як сіль розчиняють у солерозчинниках, які мають пристрої для фільтрування і відстоювання розчинів, для очищення від нерозчинних домішок. Концентрацію розчину кухонної солі або цукру виражають у відсотках, тобто в г на 100 г води. Для визначення концентрації солі у розчині, визначають щільність розчину ареометром-солеміром, або за допомогою певних таблиць, при використанні звичайного ареометра, по показнику щільності розчину визнають, якій концентрації солі відповідає визначена щільність, і корегують доданням солі або води.

Цукор кристалічна речовина. У харчових продуктах цукор знаходить в аморфному стані. Для перетворення кристалічної речовини у аморфну, необхідно зруйнувати кристалічну решітку шляхом розчинення або розплавлювання, а потім розплавлену масу швидко охолонути. Молекули цукру не встигають зібратися в структуровану решітку, внаслідок чого маса здобуває однорідну аморфну структуру. Цукор, що має в молекулі 8 гідроксильних груп, легко перетворюється в аморфну речовину, однак це перетворення можливо лише при умові уповільненого руху молекул. Для цього, наприклад, при виробництві карамелі підвищують в’язкість цукрового сиропу шляхом уварювання його до вологості 1-3 %. Аморфний стан нестійкий і з часом кристалічна решітка відновлюється, а вироби оцукрюються. Особливо швидко оцукрюються карамель та ін. вироби з поверхні навіть при незначному їх зволоженні. Зовнішньо оцукрювання карамелі проявляється в утраті прозорості.

Сахароза може виділятися у вигляді кристалів тільки у пересичених розчинів. Щоб довести розчин сахарози до пересиченого стану, необхідно створити умови для утворення центрів кристалізації і здійснити ріст кристалів шляхом відкладення на їх поверхні нових кількостей сахарози, для цього застосовується уварювання. Вміст сахарози в розчині залежить від коефіцієнта пересичення, який зростає з підвищенням температури, і виражається масовим відношенням розчиненого цукру до чистої води у розчині. В присутності нецукрів розчинність цукру значно збільшується і визначається коефіцієнтом насичення

α₁ =

де Н – коефіцієнт розчинності сахарози в даному розчині, що містить нецукри;

Н¹ – розчинність чистої сахарози.

Розчин, що містить цукру більше, ніж у насиченому розчині, називаються пересиченими. Ступінь пересичення розчину вимірюється коефіцієнтом пересичення, що показує, в скільки разів у даному розчині на одиницю води припадає цукру більше, ніж у насиченому розчині при тій же температурі

α =

де α – коефіцієнт пересичення

Н₁ – кількість розчиненого цукру в даному розчині на одиницю маси води;

Н¹ – розчинність цукру на одиницю маси води при тій же температурі і в дистильованій воді.

Якщо α = 1 – розчин насичений, при α < 1 – розчин ненасичений, при α > 1 – розчин пересичений.

Ріст кристалів відбувається не миттєво, а з деякою швидкістю, що називається швидкістю кристалізації, яка характеризується коефіцієнтом, що визначає кількість сахарози в міліграмах, що відкладається з пересиченого розчину в секунду на 1 м² поверхні кристала.

g = k¹Fτ

де g – маса цукру, що викристалізовується, мг;

k¹ – коефіцієнт швидкості кристалізації, мг/(м² ·c);

F – площа поверхні кристала, м²;

τ – час кристалізації, с.

Кристалізація цукру зв’язана з переміщенням маси і відноситься до дифузійного процесу, рушійною силою якого є різниця концентрації сахарози в розчині і на поверхні кристалів. Звичайно кристали рухаються у між кристальній рідині. На їхній поверхні утворюється прикордонний шар, швидкість якого стосовно поверхні кристалів близька до нуля, і масообмін у граничному шарі може відбуватися тільки шляхом дифузії. Очевидно, що граничний шар і чинить опір при кристалізації. Перехід цукру з граничного шару безпосередньо до кристалу також пов'язаний з подоланням деякого опору. Таким чином, швидкість кристалізації є функцією двох процесів, що протікають одночасно – розчинення і росту кристалів цукру шляхом сумісних перетворень.