1 Влажный материал

Большинство пищевых продуктов являются влажными телами, содержащими значительное количество воды. Избыток воды снижает питательную ценность продукта, способствует его порче вследствие жизнедеятельности различных микроорганизмов в водной среде.

Под влажностью материала понимают отношение массы влаги к общей массе материала:

(1)

гдеW – масса влаги в материале, кг;

М – масса влажного материала, кг; М= W + М_с;

М_с – масса абсолютно сухого материала, кг.

В теории сушки обычно рассчитывается влагосодержание материала С, т. е. отношение массы влаги к массе абсолютно сухого материала, которая в процессе сушки остается неизменной, что представляет большое удобство для расчета.

Влагосодержание материала:

или

(2) (2а)

Пищевые продукты являются капиллярно-пористыми коллоидными телами и принадлежат к классу связно-дисперсных систем, в которых частицы дисперсной фазы образуют более или менее жесткие пространственные структуры-сетки или каркасы. Эти системы называют гелями (зерно, желатин, молочный сахар, мучное тесто и т.п.).

При сушке влажные материалы изменяют свои теплофизические характеристики (теплоемкость с, теплопроводность λ, температуропроводность α). Эти изменения обусловлены молекулярным характером связи жидкости с веществом тела. Кроме того, перенос жидкости или пара ( а также тепла) внутри коллоидного капиллярно-пористого тела зависит от интенсивности (прочности) молекулярной связи жидкости со скелетом тела.

Процесс удаления жидкости из тела сопровождается разрушением ее связи со скелетом тела, и расходуемая при этом энергия затрачивается на разрыв связи жидкости с поверхностью тела и на процесс фазового перехода жидкости в пар. Поэтому классификация форм связи влаги в материалах построена акад. П.А. Ребиндером по принципу оценки энергии связи или работы ее разрыва.

(3)

где ΔF - изменение свободной энергии тела;

А – работа отрыва влаги;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура тела;

φ – относительная влажность воздуха;

Р_парц,Р_нас– парциальное давление влаги в окружающей высушиваемый материал среде и в насыщенном состоянии.

Все формы связи делятся на три большие группы: химическая связь, физико-химическая связь и физико-механическая связь.

а) Химическая связь обусловлена исключительно сильным ионным и молекулярным взаимодействием влаги и материала (в виде гидроксильных групп -ОН и кристаллогидратов типа Na₂SО_з×5Н₂О) и при сушке не разрушается, т.е. химически связанная влага при сушке не удаляется.

б) Физико-химическая связь обусловлена взаимным проникновением влаги и материала (растворение или набухание), либо адсорбцией. Адсорбционно связанная влага представляет собой жидкость, удерживаемую силовым полем на внешней и внутренней поверхности капилляров высушиваемых частиц. Вследствие высокой пористости, (радиус пор r = 0,1.. 0,001 мкм) капиллярные тела обладают огромной межфазной поверхностью, а следовательно, и значительной свободной поверхностной энергией, за счет которой происходит адсорбционное связывание воды. К влаге, удерживаемой осмотически, относится влага, находящаяся в замкнутых ячейках мицелл тела и иммобилизованная - структурная влага, захваченная при формировании геля, эта связь обусловлена избирательной диффузией воды через полупроницаемую оболочку. Присоединение осмотически связанной влаги происходит без выделения тепла, и на отрыв этой влаги тратится относительно мало энергии. Тогда как теплота, физической адсорбции влаги – величина того же порядка, что и теплота фазового перехода из парообразного состояния в жидкое.

в) Физико-механическая связь жидкости с твердым телом обусловлена капиллярными силами и смачиванием. Вода заполняет сквозныемакрокапилляры

( r>10^-7 м), т.к. давление пара над мениском макрокапилляра не отличается от давления насыщенного пара над свободной поверхностью воды. Тогда как микрокапилляры (r<10^-7 м) влага заполняет не только при непосредственном соприкосновении, но и путей сорбции из влажного воздуха (капиллярная конденсация). Это обусловлено тем, что давление насыщенного пара над вогнутым мениском микрокапилляра значительно меньше давления насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости. Отношение этих давлений определяется по формуле Томсона–Кельвина:

(4)

где – относительная упругость пара;

Р_r, Р_а– давление насыщенного пара над искривленной и плоской поверхностью: Па;

р_п, р_ж – плотность пара и жидкости, кг/м³;

σ – поверхностное натяжение на границе жидкость - твердое тело, Н/м.

Таким образом, влага макрокапилляров и поверхностная влага смачивания представляют собой свободную влагу, при удалении которой теплота расходуется только на фазовый переход из жидкого в парообразное состояние.