2. Сублімаційне сушіння

При сублімаційному сушінні волога випаровується при температурах нижче температури замерзання води, тепло передається вологому матеріалу кондуктивним шляхом, або шляхом термовипромінювання волога евакуюється за рахунок штучно створюваного перепаду тисків водяної пари. Сублімаційне сушіння застосовують при неможливості забезпечити іншими методами і способами сушіння продукт зі строго визначеними якісними показниками.

В процесі сублімаційного сушіння осмотична і капілярна волога виділяється при температурі нижче крапки замерзання вологи, що утримується в матеріалі. змін, а мікробіальні Тому термолабільні речовини не перетерплюють істотних процеси гальмуються. Виморожена волога не міститьрозчинних у ній речовин. Внаслідок цього внутрішній перенос розчинних речовин відсутній, а сублімація льоду сполучена з помітним віднесенням з паром розчинних летучих складових частин продукту.

Сублімація попередньо вимороженої вологи не супроводжується істотною усадкою матеріалу і значних змін його структури і колоїдних властивостей складових частин. Завдяки цьому сухий продукт легко обводнюється і після обводнювання по своїй структурі, складовим і властивостям близький до вихідного.

Кінцева вологість продукту, що зневоднюється методом сублімації, визначається впливом залишкової вологи на ті небажані зміни його, що можливі при тривалому збереженні. У більшості випадків чим менше залишається вологи в продукті, тим краще.

У м’ясній промисловості сублімаційне сушіння знаходить застосування для зневоднювання лікувальних препаратів із кров’яної сироватки, ендокринних і ферментних препаратів (наприклад, пепсину); вона починає набувати широке поширення і для одержання сухого м’яса і сухих продуктів, вироблюваних з м’яса. Сублімаційне сушіння служить радикальним способом консервування ендокринно-ферментативної сировини.

Недоліки сублімаційного сушіння — велика тривалість процесу, складність апаратури і труднощі здійснення сушіння в безперервному потоці.

Механізм сушіння. При досить низьких тисках опір навколишнього середовища настільки незначно, що кристалічні решітки часток льоду легко розпадається і вода переходить із твердої безпосередньо в пароподібну фазу. Такі умови можуть бути створені як при атмосферному тиску, так і під вакуумом. Однак у першому випадку не виключаються окисні зміни продукту під дією кисню повітря. Внаслідок цього сублімаційне сушіння харчових продуктів при атмосферному тиску не одержало поширення. Але в технологічній практиці такі випадки можуть зустрічатися. Прикладом може служити усихання морожених м’ясопродуктів при збереженні.

Тому що у воді, що утримується в м’ясопродуктах, розчиненадеяка кількість різних речовин, параметрична рівновага настає при більш низькому значенні температури, чим для чистої води, а саме при кріоскопічній температурі тихорєцької рідини. Цій температурі відповідає тиск насиченої пари 4,2 мм рт. ст. Але при —1,2° С вимерзає тільки близько 30% вологи, щоутримується в тканинах, і лише при —15°С воно більш 85%. Цій температурі відповідає тиск насиченої пари 1,24 мм рт. ст. Тому що якість висушеного продукту залежить від часткивологи, що видаляється шляхом сублімації, то по технологічних розуміннях сублімаційне сушіння варто вести при тиску, близькому до 1 мм рт. ст.

Якщо сублімаційне сушіння виробляється без попереднього заморожування продукту, процес протікає в три фази: самозаморожування продукту внаслідок бурхливого випару частини вологи, що знаходиться в рідкому стані, сублімація льоду, видалення залишкової незамерзаючої частини вологи.

При самозаморожуванні, що триває близько 10 хв, температура продукту спочатку знижується приблизно в лінійній залежності від часу.

Відбувається переохолодження продукту. Потім температура стрибкоподібно підвищується унаслідок виділення теплоти кристалізації, утримуючись якийсь час на постійному рівні, після чого знову знижується. Механізм переносу вологи у фазі самозаморожування не відрізняється від переміщення при звичайному вакуумному сушінні і залежить від способу нагрівання.

У фазі самозаморожування виділяється 10—15% вологи продукту. Це підвищує економічність сублімаційного сушіння. Вимерзає волога швидко і рівномірно, кристали льоду виходять невеликих розмірів і не викликають істотних руйнувань тканин. Теплота, що виділяється при самозаморожуванні, кристалізації витрачається на випарі частини вологи, що утримується в матеріалі.

Однак у деяких випадках бурхливе паротворення в період самозаморожування супроводжується явищем, що нагадує вспінювання матеріалу, якщо часткакапілярів у його структурі невелика (наприклад, при самозаморожуванні печінки, підшлункової залози). Але в найбільшій мері негативне значення самозаморожування виявляється в тім, що в цій фазі випар вологи походить з рідкого стану. Це частково зводить нанівець переваги сублімаційного сушіння, тому що приводить до погіршення якості збезводненого продукту. Наприклад, при заморожуванні м’яса, що піддається сушінню,, губиться близько 20% загальної кількості компонентів, що впливають на аромат і смак. Погіршується гідратація м’яса. Але м’ясо, заморожене попередньо при —40° С протягом 1г, добре обводнюється після збереження. Обводненність м’яса, зневодненого із самозаморожуванням, не перевищує 50%. У більшості випадків тому сублімаційне сушіння м’ясопродуктів рекомендується робити після попереднього заморожування.

Слідом за фазою заморожування починається власне сублімація. У випадку попереднього заморожування продукту сублімація стає першою фазою сушіння. Механізм переносу вологи у фазі власне сублімації має свої особливості. Випар вологи відбувається на гранях кристалів. Тому чим більше кристалів і дрібніше їхній розмір, тим більше поверхня випару, а значить тим інтенсивніше сублімація.

Видалення вологи з продукту супроводжується поглибленням зони випару. Перенос пари, що утворилися, відбувається по капілярах і каналам через збезводнений шар продукту, товщина якого зростає в міру зневоднювання матеріалу. Таким чином, опір внутрішньому переносу залежить від розмірів звільняючих від вологи капілярів і каналів, а також їхнього числа і наростає в міру зневоднювання продукту.

Випар вологи в глибокому вакуумі супроводжується різким збільшенням її обсягу (при тиску 4 мм рт. ст. у 200 тис. раз, при 0,1 мм рт. ст. — у 10 млн. раз). Молекули пари тому вільно переміщуються в зовнішнє середовище.

Внутрішній перенос води відбувається не дифузійним, а еффузійним шляхом, рух молекул пари відбувається незалежно друг від друга у виді молекулярного пучка. Середня швидкість руху дорівнює швидкості, що молекули набувають при відриві від кристалів льоду.

2. Радіаційне сушіння

Інфрачервоними (ІЧ) прийнято називати промені, які в єдиному спектрі електромагнітних хвиль займають досить велику область, що примикає до найбільш довгим хвилям видимої області. Нижньою межею області

ІЧ-випромінювань є хвилі довжиною 0,78 мкм. Верхня межа цих випромінювань точно не визначена і умовно відноситься до довжини хвилі 1000 мкм. ІЧ-випромінювання тіл є результатом коливального руху складових їх атомів і молекул. Будь-яке тіло, що має температуру вище абсолютного нуля, випускає ІЧ-промені і при тому тим сильніше, чим вище його температура. Ці промені підкоряються всім фізичним законам електромагнітних хвиль і можуть легко перетворювати при поглинанні опромінюваним тілом притаманну їм енергію в теплоту. Тепловий ефект як результат поглинання променевої енергії тілами може бути встановлений і при будь-якому іншому електромагнітному хвильовому випромінюванні, а в разі ІЧ-променів він виражений особливо сильно.

 При попаданні на реальне тіло ІЧ-променів їх енергія частково відбивається від поверхні, частково поглинається, збуджуючи коливання атомів і молекул тіла і перетворюючись на теплову енергію, а частково проходить через тіло. Величина тієї чи іншої частини енергії залежить від спектрального складу всього променистого потоку, розмірів тіла і його специфічних характеристик, в тому числі коефіцієнтів поглинання, відбиття і пропускання.

Тіла, дуже добре пропускають і відображають випромінювання, нагріваються мало. Радіаційна сушка доцільна лише для тих речовин і матеріалів, які мають досить високу здатність поглинати ІЧ-промені. Для кожної речовини в електромагнітному спектрі існує мінімально одна, але частіше кілька смуг поглинання. Чим менше таких смуг в спектрі і чим слабкіше вони виражені, тим менше здатність речовини поглинати

ІЧ-промені. Наприклад, поглинальна здатність повітря невелика, оскільки його складові частини (кисень і азот) мають дуже обмежені спектральні смуги. Навпаки, вода в рідкому стані є одним з найбільш активних поглиначів інфрачервоного випромінювання. Це властивість води і лежить в основі ефективного використання ІЧ-променів для її випаровування. Сухі речовини рослинного і тваринного походження зазвичай добре пропускають короткохвильові ІЧ-промені. Присутність в цих речовинах води сильно збільшує поглинання. Тому такі матеріали, як целюлоза, шерсть, шкіряний напівфабрикат вважаються особливо підходящими для радіаційного сушіння. При цьому, природно, не можна допускати надмірного підвищення температури матеріалу, тому що в противному випадку настає його термічне пошкодження. 

В якості джерел ІЧ-випромінювання в сушильній техніці використовують дзеркальні лампи розжарювання, електричні елементи опору у вигляді панелей або трубчастих електронагрівачів (ТЕНів), безполуменевої газові пальники з керамічними насадками та інші пристрої. Для ефективного здійснення теплового процесу правильний вибір типу випромінювача є вирішальним. Досвід показує, що максимальна інтенсивність радіаційного сушіння досягається тільки тоді, коли спектральні характеристики випромінювачів узгоджені з оптичними властивостями, що висушується. 

Різні джерела випромінювання дають різні спектри довжин хвиль. Чим вище температура випромінювача, тим виразніше переважання в променистому потоці коротких хвиль, тим потужніше випромінювання. У лампових генераторах до 75% випромінюючої енергії припадає на довжини хвиль спектру 1-2 мкм, в панелях і ТЕНах (темних випромінювачах) до 90% енергії відповідає довжинах хвиль 1,5-5,5 мкм. Максимальне значення енергії випромінювання досягається при певній довжині хвилі. З підвищенням температури випромінювача максимум випромінювання зміщується в бік більш коротких хвиль (закон Вина - Голіцина). При радіаційної сушінні вигідно вибирати такий джерело випромінювання, максимум променевої енергії якого збігається з найбільш сильною смугою поглинання висушуваного вологого матеріалу.

Такий збіг максимумів випромінювання і поглинання є одним з основних умов інтенсивного випаровування вологи. Разом з тим, обираючи той чи інший джерело випромінювання, завжди необхідно враховувати мету, яку переслідує радіаційна сушка - випаровування вологи з товщі матеріалу, подсушка його поверхні або нанесеного на поверхню шару покривний фарби, лаку. Для того щоб процес сушіння протікав активно і не локалізувався тільки на поверхні вологого матеріалу або шару покривний фарби,

ІЧ-промені повинні не тільки добре поглинатися, а й проникати в них на ту чи іншу глибину. Ступінь проникності променистого потоку в глиб матеріалу залежить від товщини пройденого ним шару, довжини хвилі і вмісту вологи в матеріалі. Зі збільшенням довжини хвилі при зниженні температури випромінювання глибина проникнення ІЧ-променів в матеріал зменшується. У практиці сушіння матеріалів тваринного походження, у тому числі і шкіряного напівфабрикату, оптимальним щодо кількості поглиненої енергії та її розподілу в товщі є випромінювання, відповідні довжині хвилі 1-2 мкм і особливо 1,2-1,6 мкм.     Максимум випромінювання в діапазоні зазначених довжин хвиль забезпечують випромінювачі, які за класифікацією, прийнятою в країнах РЕВ, відносяться до високотемпературних, нагрівається до температури 1500 °С і більше. Сюди належать, зокрема, інфрачервоні дзеркальні лампи розжарювання різних типів. Однак при використанні електричних лампових генераторів ІЧ-випромінювання для основної сушіння шкіряного напівфабрикату, коли потрібно видалити досить значну масу води, потрібні надмірно великі витрати електроенергії. Для випаровування 1 кг води з напівфабрикату за допомогою таких джерел випромінювання витрачається енергії приблизно в 2-2,5 рази більше, ніж при конвективної сушці. Це є однією з головних причин того, що радіаційна сушка мокрого напівфабрикату до теперішнього часу не змогла отримати достатнього поширення. Як показали дослідження, шкіру хромового дублення гарної якості можна отримати, використовуючи для основної сушіння значно економічніші газові ІЧ-випромінювачі, зокрема безполуменевої пальники з керамічними насадками. Ці випромінювачі в порівнянні з електричними ламповими забезпечують більш рівномірний опромінення напівфабрикату, внаслідок чого зменшується небезпека його місцевих перегрівів.

Однак сушарки з газовими випромінювачами складні в експлуатації.

 При оптимальному режимі роботи безполуменевої газового пальника (температура випромінюючої керамічної насадки 750-850 ° С) максимум енергії випромінювання знаходиться в діапазоні довжин хвиль 2,5-3,5 мкм.

Промені з такими довжинами хвиль володіють слабкий проникаючу здатність і сильно поглинаються вже поверхневими шарами мокрого напівфабрикату. З пониженням вмісту вологи в напівфабрикаті поглинання променів поступово слабшає і вони глибше проникають в товщу дерми.

Основна сушка шкіряного напівфабрикату за допомогою безполуменевий газових пальників протікає значно повільніше, ніж за допомогою електричних лампових генераторів випромінювання, хоча в порівнянні з конвективної сушінням тривалість процесу скорочується в 5-6 разів.

 При радіаційної сушінні, як і при конвективної, спостерігаються періоди постійної і падаючої швидкостей процесу. Проте великі градієнти температур і проникання променистої енергії в напівфабрикат, що викликає аномальне розподіл в ньому температури, змінюють характер протікання процесу. Причому максимальна температура встановлюється не на поверхні напівфабрикату, а на деякій відстані від неї. У поверхні температура підвищується, досягає максимального значення на деякій глибині, а потім знижується.     Проникаючи в напівфабрикат на ту чи іншу глибину, ІЧ-промені створюють по всій товщині пройденого шару фазовий перехід вологи в пар вже в період постійної швидкості сушіння. Цей період радіаційного сушіння характеризується високою інтенсивністю, що позначається на скороченні тривалості процесу в цілому. Температура напівфабрикату в період постійної швидкості сушіння майже не змінюється, однак абсолютне значення її значно вище, ніж при конвективної сушці.

Так, в дослідах по сушці напівфабрикату хромового дублення з використанням безполуменевий газових пальників температура шару, що лежить під опромінюваної поверхнею, вже через 10 хв від початку сушіння підвищувалася до 50°С. З моменту настання періоду падаючої швидкості сушки зона випаровування вологи швидко поглиблюється, виникають особливо великі градієнти температур.

У зазначених дослідах після сушіння протягом 1 год до вмісту вологи в напівфабрикаті 14% температура досягла 70 ° С. Таким чином радіаційна сушка прийнятна тільки для напівфабрикату, що характеризується досить високою термостійкістю. При сушінні напівфабрикату таннідного або хромтаннідного дублення задовільних результатів досягти не вдається: шкіри виходять темними, жорсткими, ламкими. У той же час сушка ІЧ-променями напівфабрикату хромового дублення дає можливість отримувати цілком доброякісну шкіру, не відрізняється за своїми властивостями від шкіри, висушеної у звичайній конвективної сушарці. З метою запобігання жолоблення при сушінні і підвищення виходу шкіри за площею напівфабрикат рекомендується опромінювати розтягнутим на рамах або наклеєним на пластини. Вважається, що шкіра хорошої якості, з високим виходом по площі виходить тільки тоді, коли радіаційної сушінні передує жирування при підвищеній витраті жірующіх речовин і досить інтенсивне додубліваніе синтетичних дубителів. Особливо ефективні жирові суміші, що містять приблизно 50% легкоплавких синтетичних жирів.

Для зменшення перегріву напівфабрикату в ряді випадків передбачається переривчастий режим опромінення, коли нагрівання напівфабрикату ІЧ-променями поєднують з охолодженням його повітрям або з так званим періодом отлежки. У цей період сушка триває за рахунок акумульованого дермою тепла. При радіаційної сушінні напівфабрикату підвищеної товщини опромінення з одного боку часто виявляється недостатнім. Тому доводиться вести опромінення як з лицьового, так і з бахтармяной поверхні. Однак при цьому слід мати на увазі, що бахтармяной поверхню напівфабрикату хромового дублення відображає зазвичай значно більше падаючих на нього променів, ніж лицьова. 

У практиці шкіряного виробництва широкого поширення набула радіаційна сушка нанесеною на напівфабрикат покривний фарби. Вартість енергії і тривалість сушіння в цьому випадку невеликі, оскільки сушінні піддається відносно тонкий шар покриття. У цьому випадку не потрібно глибокого проникнення променів в висушувати систему, тому поряд з високотемпературними джерелами випромінювання в ряді випадків ефективно застосування і "темних випромінювачів". Незаперечна перевага радіаційного сушіння покриттів на напівфабрикаті полягає в тому, що сушінні піддається весь шар фарби. Це дозволяє уникнути часто спостережуваного при сушінні в конвективних сушарках утворення кірки, коли поверхневий шар фарби виявляється висохлим, а розташовані під ним шари залишаються вологими.

Розподіл теплової енергії по товщині опромінюється шару фарби в чому залежить від природи вхідних в неї компонентів: пігменту, пластифікатора. Велика розмаїтість складів покривних фарб призводить до дуже різної тривалості сушіння. Відомо, наприклад, що фарби з білими пігментами за інших рівних умов відбивають значно більше ІЧ-променів, ніж фарби з чорними пігментами. Тому для висушування білих покриттів потрібно більш тривалий час. На практиці в кожному конкретному випадку оптимальна тривалість процесу сушіння повинна бути встановлена ​​дослідним шляхом.

 Великий вплив на якість покриття надає рівномірність його опромінення при сушінні. Якщо променистий потік розподіляється на опромінюваної поверхні нерівномірно, виникає небезпека місцевих перегрівів покриття. Практика показує, що при сушінні лампові джерела випромінювання краще розташовувати в шаховому порядку.