Технология и оборудование для осуществления сублимационной сушки

Технология и оборудование для осуществления сублимационной сушки

1. Понятие сублимационной сушки

Сублимационная сушка материала производится при температуре и давлении ниже криогидратной (или эвтектической, или т.н. «тройной») точки, при которой вся система замерзает целиком (рис. 1). При этом влага в материале заморожена, вода переходит из твердого состояния непосредственно в пар, минуя жидкую фазу, т.е. происходит сублимация [1].

Рисунок 1. – Диаграмма состояния воды в координатах Р—Т

В настоящее время этот метод сушки продуктов является наиболее совершенным, т.к. получаемый продукт сохраняет свои первоначальные биохимические свойства, внутреннюю структуру и может храниться длительное время. И все же сублимационный способ оказывается относительно дорогостоящим из-за повышенных капитальных затрат на систему создания и поддержания достаточно глубокого вакуума; кроме того, производительность сублимационных сушилок обычно невысока вследствие периодичности их работы и низкой скорости удаления влаги из материала при отрицательных температурах [2].

Этот способ был открыт в начале прошлого века, однако использовался только для производства довольно ограниченного количества и ассортимента сухопродуктов для нужд армии и космонавтики.

2. Применение сублимационной сушки

Наибольшее применение сублимационная вакуумная сушка получила в технологиях производства лекарственных препаратов, ферментов, заквасок, экстрактов лекарственных трав и других объектов, которым требуется обеспечить сохранность в сухопродукте всех полезных составляющих сырья в течение длительных периодов времени. Сублимационная сушка продукта является одним из самых современных методов обратимого консервирования микроорганизмов и биопрепаратов, который обеспечивает наилучшее качество сухопродукта и высокую восстанавливаемость лактобактерий при минимальной продолжительности процесса и, соответственно, минимальных затратах.

Способом сублимационной сушки консервируются фрукты, овощи, молочные изделия, мясо, рыба, каши и супы, грибы, приправы (рис. 2). Продукты сублимационно-вакуумной сушки имеют очень широкие возможности для использования как в качестве готовых продуктов быстрого приготовления, так и в качестве полуфабрикатов для дальнейшей промышленной переработки (кондитерская, пищеконцентратная, мясомолочная, парфюмерная и др. отрасли).

Рисунок 2. – Общий вид сублимированной продукции

Высокое качество и биологическая полноценность готовых сублимированных продуктов объясняется тем, что обработке может подвергаться только свежее сырье. Несвежие продукты сублимационную сушку не выдерживают [3].

3. Технология и оборудование для осуществления сублимационной сушки

Для сушки должно подбираться сырье с определенными характеристиками. Подготовка продуктов питания должна также проводиться на высоком уровне. Такие критерии позволят изготовить сухой продукт с необходимыми качественными показателями.

Критерии выбора сырья для сублимационной сушки:

• Продукт должен обладать хорошими вкусовыми качествами.

• Должна проводиться оценка количества исходных составляющих. Данный критерий необходим для вычисления сохраняемых после замораживания и сушки, а также во время хранения полезных веществ.

• Размеры и форма продукта должна соответствовать проводимой технологии.

• Липидные составляющие должны в минимальном порядке поддаваться окислениям.

• Сырье перед заморозкой и сушкой должно пройти обработку от микроорганизмов.

Технологический процесс сублимационной сушки состоит из нескольких этапов, которые проводятся в строгой очередности:

1. Подготовка продукции в предварительном порядке;

2. Замораживание;

3. Непосредственная сушка;

4. Запаковка продукта.

Под предварительной подготовкой продукта к сушке подразумевается его термическая обработка и нарезка.

Затем происходит замораживание продукта при температуре ниже его точки затвердевания. Заморозку можно провести как в специально разработанной камере, так и непосредственно в самом сублиматоре. Последний вариант подразумевает создание вакуумной среды и частичное испарение жидкости. Данный способ намного легче проводить сравнительно с предварительной заморозкой, но использовать его можно не для всех категорий продукта [4].

Тем не менее, от быстроты заморозки зависит качество продукта в дальнейшем. Чем быстрее и глубже замораживается продукт, тем менее крупные кристаллы льда образуются в продукте, тем быстрее они испаряются на втором этапе сушки продукта и тем выше качество получаемого продукта.

Этап сушки разделяют на две стадии. На первой стадии влага удаляется непосредственно при переходе льда в пар (до влажности 1–2%); на второй стадии остатки влаги удаляются из высушенного вещества при температуре выше криогидратной точки. В конце сушки температура материала повышается до температуры нагревателя. При проведении сушки методом сублимации тепло, подводимое к материалу, должно расходоваться на испарение льда. Однако если количество подводимого тепла не изменяется, то к концу процесса сушки, когда влаги в материале остается очень мало, температура его начнет повышаться. При этом необходимо уменьшать количество подводимого тепла, т.к. слишком сильное повышение температуры материала ухудшает его качество. В то же время конечная влажность составит 0,5% и меньше, несмотря на низкие температуры [1].

После сублимационной сушки продукты упаковывают, что проводят сразу после этапа досушивания. Основным предназначением таких упаковок является предотвращение попадания кислорода, влаги и посторонних запахов.

Зачастую используют упаковки полимерного происхождения (рис. 3). В качестве подложки применяют алюминиевую фольгу. Преимуществом использования полимерной пленки являются отличные эксплуатационные свойства, маленький вес, высокий показатель прочности и небольшая цена.

Как уже упоминалось, очень важным критерием является предотвращение попадания влаги и воздуха на продукт после cублимационной обработки [4].

Рисунок 3. – Пример упаковки сублимированной продукции

Для осуществления сушки данным методом используют установки периодического и непрерывного действия (рис.4). Оборудование, входящие в их состав, следующее: сушильная камера, конденсатор, устройство для нагревания материала и охлаждения конденсатора и вакуумный насос.

Рисунок 4. – Схема установки для осуществления сублимационной сушки

1 – сушильная камера; 2 – запорный вентиль; 3 – конденсатор;

4 – предохранительный клапан; 5 – измерительное устройство;

6 – вакуумный насос; 7 – ловушка; 8 – диффузионный насос; 9 – термостат.

В камере размещается материал, который предварительно заморожен или в этой же камере в результате испарения из него влаги без дополнительного подвода тепла при создании вакуума самозамораживается. После того, как материал заморожен, к нему подводится тепло от внешнего источника. Поддержание постоянной температуры обеспечивается термостатом. Количество подаваемого тепла должно быть достаточным, чтобы обеспечить быстрое испарение льда при заданной температуре. Выделяющийся из продукта водяной пар откачивается десублимационным конденсатором благодаря разности парциальных давлений пара в сублиматоре и у поверхности конденсатора. Эта разность создается потому, что температура поверхности конденсатора поддерживается более низкой, чем температура материала в сублиматоре.

Натекающий в систему неконденсирующийся газ непрерывно откачивается вакуумным насосом таким образом, чтобы давление газа во всей системе, во всяком случае, не превышало парциального давления пара у поверхности конденсатора. Если это условие не выполнено, то скорость сублимации уменьшается, т. к. воздух служит препятствием на пути пара к поверхности конденсации. В некоторых случаях целесообразно применять не конденсатор, а какое-либо поглощающее вещество. Это важно в тех случаях, когда нет источника холода. Кроме того, в ряде установок вообще не применяют раздельной откачки пара и неконденсирующегося газа, а непосредственно откачивают насосами парогазовую смесь из сублиматора. Для этой цели наиболее пригодны пароэжекторные насосы [1].

При выборе вакуумного насоса необходимо учитывать, что при загрузке в аппарат предварительно замороженного материала может произойти его размораживание, если откачка не будет произведена достаточно быстро. Поэтому вакуумный насос должен создавать в камере после загрузки давление 0,5 мм рт. ст. в течение 5 – 10 мин.

4. Достоинства и недостатки сублимационной сушки

К достоинствам данного метода сушки можно отнести:

• сохранение полезности и вкуса изделия;

• способность храниться длительное время.

К недостаткам относят следующее:

• повышение стоимости получаемого продукта;

• ограниченность применения.

Таким образом, сублимационные сушильные установки обеспечивают создание продукта высокого качества, но пока применяются в промышленности главным образом в тех случаях, когда другие методы сушки непригодны.

Список литературы

1. Шумский К.П. Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения. — М.: Машиностроение, 1974. — 576 с.

2. Фролов В.Ф. Лекции по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». — СПб.: ХИМИЗДАТ, 2003. — 608 с.

3. Сублимационная сушка. — М.: Aerotube, [Электронный ресурс]. URL: https://aerotube.ru/poleznaya-informatsiya/78-sublimatsionnaya-sushka.html

4. Технология сублимационной сушки продуктов. — М.: ten24, [Электронный ресурс]. URL: https://ten24.com.ua/blog/tekhnologiya-sublimatsionnoy-sushki-produktov/