1261

Глава 20. Оборудование для ведения процесса кристаллизации пищевых сред

Гипотезы – это леса, которые возводят перед зданием и сносят, когда здание готово; они необходимы для работника; он не должен только принимать леса за здание. Гёте Иоганн Вольфганг (1749–1832), немецкий поэт, мыслитель, естествоиспытатель

Глава 20 оборудование для ведения процесса кристаллизации пищевых сред

Кристаллизация – процесс выделения твердой фазы в виде кристаллов из растворов и расплавов. Кристаллизацией завершается производство сахара, глюкозы, лимонной кислоты, поваренной соли, а также жировых смесей и жиросодержащих эмульсий (масло сливочное, маргарины, кулинарные, хлебопекарные и кондитерские жировые продукты).

Особенности процесса кристаллизации связаны с образованием центров кристаллизации и ростом кристаллов. Образование центров кристаллизации в растворах осуществляют двумя способами: созданием условий для их самопроизвольного образования и вводом в раствор искусственных центров кристаллизации. Способность жировых продуктов кристаллизоваться в значительной мере зависит от температуры кристаллизации (плавления).

Кто знает мало и знает об этом, тот знает много. Стюарт Дугальд (1753–1828), английский философ и экономист

20.1. Научное обеспечение процесса кристаллизации пищевых сред

Переход вещества из раствора в твердую фазу осуществляется путем диффузии растворенного вещества через пограничный слой, окружающий поверхность кристалла. Скорость процесса кристаллизации может определяться скоростью диффузии растворенного вещества через пограничный слой, либо скоростью слияния вещества с телом кристалла, либо зависимостью от обеих стадий одновременно.

В процессе кристаллизации сахарозы кристаллы окружены пограничным слоем межкристального раствора толщиной . Избыток молекул сахарозы из этого слоя пересыщенного раствора быстро выделяется на поверхность кристаллов, и раствор становится насыщенным с концентрацией сахарозы у_н. На некотором расстоянии от граней кристаллов в окружающем растворе сохраняется пересыщение с концентрацией сахарозы у_n.

Вследствие разности концентраций (у_n – у_н) сахароза диффундирует через пограничный слой раствора. Приблизившись к граням кристаллов, молекулы сахарозы переходят в кристаллическую решетку – происходит фазовый переход.

Скорость роста кристаллов можно выразить с помощью уравнения молекулярной диффузии

,

где dM – количество вещества, выкристаллизованного в единицу времени d; D – коэффициент диффузии; F – площадь поверхности кристаллов, на которых выкристаллизовывается вещество; y_n – концентрация вещества в объеме пересыщенного раствора; у_н – концентрация вещества у поверхности кристалла (принимается равной концентрации раствора);  – толщина пограничного слоя раствора, в котором концентрация изменяется от y_n до у_н.

После интегрирования получим уравнение вида

,

тогда скорость кристаллизации будет равна

.

Толщина пограничного слоя при ламинарном характере обтекания кристалла пересыщенным раствором

,

где  – динамическая вязкость насыщенного раствора; v – скорость движения кристалла в растворе.

Согласно закону Стокса v = 1/, а зависимость коэффициента диффузии от абсолютной температуры Т и динамической вязкости  по Эйнштейну имеет вид D = kT/, где k – постоянная величина, зависящая от природы диффундирующего вещества, тогда

.

Основными факторами, определяющими скорость кристаллизации, являются степень пересыщения раствора, температура, образование центров кристаллизации, интенсивность перемешивания, наличие примесей в растворе.

Движущей силой процесса кристаллизации является величина отклонения системы от состояния равновесия, а направление процесса определяется изменением избыточной свободной энергией Е, которой обладает раствор или его отдельные компоненты. Свободную энергию, отнесенную к одному молю химически индивидуального вещества, вводимого в систему или выводимого из нее, называют химическим потенциалом _х. Ели раствор содержит n_с молей сахарозы и n_в молей воды, то при постоянных давлении Р и температуре Т справедливы соотношения:

;

.

Тогда для раствора сахарозы

,

а для одного моля раствора

,

где х_с, х_в – мольные доли сахара и воды.

Движущей силой процесса кристаллизации является разность химических потенциалов молекул сахарозы в перенасыщенном и насыщенном растворах:

.

Химический потенциал сахара в растворе зависит от концентрации. Для насыщенного раствора

,

где – стандартный химический потенциал при концентрации вещества в растворе, равной 1 моль/л.

Для пересыщенного раствора

,

движущей силой кристаллизации будет

.

Кристаллизация лактозы осуществляется при производстве молочного сахара, сгущенного молока, а также сухих молочных продуктов. Скорость, с которой растворяются в воде различные кристаллические формы лактозы, а также их растворимость, неодинаковы для различных форм. Кристаллографическая структура лактозы относится к моноклинной сингонии и аксиальному виду симметрии.

Модель нестационарной кристаллизации лактозы можно представить в виде системы дифференциальных уравнений:

; ;

; ,

где Ф_N, Ф_А, Ф_М, Ф_Т – функции, связывающие независимое время  и исходные переменные N, А, М, Т с производными последних; N – численная концетрация кристаллов, кг^-1; А – удельная площадь поверхности кристаллов, м²/кг; М – относительная масса кристаллов; Т – абсолютная температура, К.

В модель входят соотношения для растчета среднего размера кристаллов L (мм)

,

,

где С – относительная массовая концентрация гидрата кристаллизующегося вещества; С­₀ – начальное значение относительной массовой концентрации пересыщенного раствора; М₀ – относительная масса затравки;  – поверхностный коэффициент формы.

Механизм образования центров кристаллизации (зарождение кристаллов) в объеме переохлажденных жировых компонентов объясняется теорией гетерофазных флуктуаций вблизи точки плавления вещества. При охлаждении возникают местные и временные флуктуации, которые представляют собой скопления с ориентированным расположением молекул. Состояние этих скоплений неустойчивое: наряду с образованием наблюдается и их распад. Возникающее структурное образование становится зародышем для роста кристалла.

Основные элементы жировых кристаллов строятся из расположенных друг возле друга молекул триглицерида с отличающейся модификацией кристаллов с различной температурой кристаллизации (плавления). В числе этих форм кристаллов две являются метастабильными, их называют модификациями  и , и одна стабильная фаза – .

Для жирового сырья и жировых продуктов следует учитывать наличие значительного числа жировых компонентов с различной температурой кристаллизации (плавления), а также многообразие триглицеридного состава каждого жирового компонента. Процесс кристаллизации связан с режимами полиморфного преобразования и зависит от скорости охлаждения, а также скорости и степени кристаллизации.

Сущность процесса термомеханической обработки высокожирных сливок заключается в изменении структуры продукта. Последовательность протекающих процессов здесь можно представить в виде: охлаждения высокожирных сливок, интенсивного образования центров кристаллизации, отвердевания части жира, смены фаз жировой эмульсии, разрушения кристаллов агрегатов жира и их равномерного распределения по всей массе.

Мне лично ощущение высшего счастья дают произведения искусства. В них я черпаю такое духовное блаженство, как ни в какой другой области… Достоевский дает мне больше, чем любой научный мыслитель, больше, чем Гаусс. Эйнштейн Альберт (1879–1955), физик-теоретик