1. Основи теорії масообміну

Масообмінні процеси широко застосовуються в харчовій промисловості, де вони або їх комбінації створюють основу багатьох складних технологічних процесів. При їх здійсненні відбувається перерозподіл маси між фазами і всередині фаз. Фази бувають твердими, рідкими та газоподібними. Найчастіше зустрічаються прості комбінації фаз: тверде тіло-рідина; рідина- рідина; газ(пара)-рідина; газ(пара)-тверде тіло. Розрізняють такі масообмінні процеси: екстрагування із твердих тіл; екстракція в системах рідина-рідина, ректифікація і перегонка; абсорбція і адсорбція; кристалізація і розчинення; сушіння; випічка та обсмаження; охолодження та заморожування.

Рушійною силою масообмінних процесів є різниця хімічних та фізичних потенціалів. При рівності тисків, температур і хімічних потенціалів складні системи знаходяться у стані рівноваги. Порушення полів розподілу названих факторів виводить систему з рівноваги, породжуючи перебіг теплових, гідродинамічних та масообмінних процесів до настання рівноваги.

Рушійну силу масообмінних процесів, які здійснюються при виробництві харчової продукції, виражають різницею концентрації потрібного компонента в фазах.

Інтенсивність масообмінних процесів характеризується величинами кінетичних коефіцієнтів (дифузії, масовіддачі, масопереносу). На кінетику масообмінних процесів значно впливає конструкція масообмінних апаратів.

Розглянемо спрощено теоретичні засади проведення найпоширеніших масообмінних процесів та основні видів обладнання для їх здійснення.

Екстрагування застосовують при добуванні одного або декількох компонентів із твердого або майже твердого тіла (рослинної сировини) за допомогою екстрагентів, здатних розчиняти потрібні елементи (цукрозу, олію, екстракти плодів та ягід тощо).

Процеси екстрагування розчинених речовин з рослинної сировини належать до найбільш поширених у харчовій промисловості. В окремих її галузях (цукровій, спиртовій, олійно-жировій, фармацевтичній) вони є визначальними для продуктивності підприємств і якості готової продукції.

Основна сировина підприємств харчової промисловості має рослинне походження, капілярно-пористу структуру, сформовану клітинами різної будови, у вакуолях яких знаходиться цільовий компонент. Концентрацію цільового компонента вважають рівномірно розподіленою по об'єму частинок сировини.

Для проведення екстрагування цільових компонентів сировина (цукровий буряк, зерно насіннєвих культур, плоди ягід, листя та пелюстки ефіроолійних культур) проходить відповідну підготовку - миття, подрібнення, прогрівання.

Екстрагування таких компонентів у спрощеному вигляді включає такі стадії:

-проникнення екстрагенту в пори частинок сировини;

-розчинення цільового компонента;

-перенесення розчиненої речовини до поверхні поділу фаз;

-перенесення екстрагованої речовини з поверхні рухомих частинок сировини в рухому масу екстрагенту.

У різних галузях харчової промисловості як екстрагент використовують воду, спирт, бензин, бензол, дихлоретан тощо.

Названі стадії не завжди мають місце при екстрагуванні, бо цільовий компонент у рослинній сировині, як правило, знаходиться в розчиненому стані. У таких випадках перші дві стадії відсутні.

Перенесення маси ведеться двома способами - мікроперенесенням окремих молекул у нерухомому середовищі і макроперенесення груп молекул у рухомому середовищі. Перший спосіб називають молекулярною дифузією, другий конвективною.

Загальний процес перенесення маси, який включає її пересування в межах однієї фази до межі розділення з іншою і перехід в іншу, називають масопередачею.

На рис. 8.1 умовно показана частинка подрібненої рослинної сировини з цілими та відкритими в результаті їх руйнування клітинами, у вакуолях яких знаходиться цільовий компонент, наприклад розчин цукрози та різних нецукрів з усередненою концентрацією С₁.

При зануренні частинки в екстрагент, концентрація якого С₃<С₁, починається:

- вимивання цільового компоненту з розкритих клітин і його розчинення; вирівнювання нерівномірного розподілу концентрації до усередненого значення; двостороннє перенесення маси на відстань І до межі тверде тіло-екстрагент; конвективна дифузія - перенесення маси в рухомому середовищі відбувається послідовно двома потоками: молекулярною дифузією в тонкому пристінному шарі 8 і конвективного дифузією в ядрі потоку.

Кінцеві результати перебігу всіх стадій визначає тривалість процесу.

Створюючи на основі раціонального конструювання сприятливі гідродинамічні умови в екстракторах, можна суттєво поліпшити перебіг багатьох технологічних процесів, які лімітуються швидкістю масообміну.

Екстрагування ведеться як періодично, так і безперервно. До найпоширеніших способів взаємодії фаз відносять протитечійний, прямотечійний та комбінований. Застосовують також методи настоювання, перколяції (витіснення), ідеального змішування при безступінчатому прямо - чи протитечійному екстрагуванні.

Періодичне ведення процесу застосовують, як правило, у випадках переробки невеликої кількості сировини (парфумерна та фармацевтична промисловості, виробництво екстрактів окремих плодів та ягід). При цьому найчастіше використовують два методи - настоювання і перколяцію. Для інтенсифікації процесу застосовують циркуляцію екстрагента або перемішування обох фаз. Безперервне отримання екстракту забезпечують шляхом об'єднання окремих апаратів у батареї.

Протитечійна, прямотечійна та комбінована схеми руху твердих частинок сировини та екстрагенту характерні для безперервних процесів екстрагування.