Технология пищеконцентратного производства

2.2 Сублимационная сушка

Метод сублимационной сушки пищевых продуктов основан на способности льда при определенных условиях испаряться, минуя жидкую фазу, то есть возгоняться.

Чтобы понять сущность этого метода, рассмотрим изменение состояния воды на диаграмме давление – температура (Р – Т).

На рисунке 8 показано состояние воды в зависимости от давления и температуры.

Рисунок 8 – Диаграмма фазового состояния воды в зависимости

от соотношений P – T

По левую сторону линии ВАС лежит область твердой фазы (льда), а сама линия ВАС является границей, которая разделяет на участке АС твердую фазу (лед) и жидкую фазу (воду) и на участке ВА твердую фазу и фазу газа (пара). По левую сторону от линии ВАС всегда будет находиться лед, по правую сторону – до точки А, соответствующей давлению 613,2 Па, вода, а ниже точки А – пар.

Таким образом, если при давлении выше точки А (613,2 Па) подводить тепло ко льду, то он должен сначала превратиться в воду, а при дальнейшем подводе тепла вода начинает испаряться, переходя в газообразную фазу (пар).

Если давление ниже точки А, то, как видно из диаграммы, лед при подводе тепла может перейти только в газообразное состояние (пар), минуя состояние жидкости.

Точка А, так называемая тройная точка, характеризует состояние веществ, при котором возможно существование всех трех его фаз одновременно (твердое тело – жидкость – газ, или применительно к воде: лед – вода – пар). Выше этой точки существуют в зависимости от температуры все три фазы, причем определенным температурам соответствует определенная фаза. Ниже точки А возможно только два состояния вещества (воды) – твердое и газообразное.

Сущность сублимационной сушки и заключается в возгонке льда (воды, превратившейся в кристаллы льда) при давлении паров окружающей среды ниже тройной точки (точки А). Такая возгонка льда непосредственно в пар способствует сохранению формы высушиваемого продукта.

Усадки его, что наблюдается при тепловой сушке, не происходит, и продукт после сушки сохраняет свои линейные размеры.

При оводнении такого продукта вода быстро заполняет поры, откуда во время сушки был сублимирован лед, и продукт быстро восстанавливается. Высушенные методом сублимации продукты сохраняют свои исходные качества, экстрактивные вещества, ферменты и витамины. По вкусовым качествам восстановленные продукты мало отличаются от продуктов, не подвергавшихся сушке.

Сушка сублимационным методом при современном состоянии техники обходится дороже тепловой, поэтому сублимации целесообразно подвергать те продукты, которые невозможно без явной потери качества высушить методом тепловой сушки. К таким продуктам относится, например, творог, при сушке которого тепловым способом получают явно негодный продукт, или мясо кусочками, которые также невозможно получить тепловой сушкой без потери качества. Методом сублимации целесообразно сушить целые плоды и ягоды. Сушку этим методом осуществляют в специальном аппарате – сублиматоре, представляющем собой герметически закрываемый сосуд, в котором расположены полки с помещаемым на них продуктом, к полкам с помощью различных устройств подводится тепло. Сублиматор соединен широкой трубой с другим сосудом – десублиматором, где за счет добавочного охлаждения пары сублимированного льда опять превращаются в лед, намораживаясь на охлаждаемые поверхности (трубы).

Для сублимационной сушки продуктов используются такие установки как УСС-5, УЛГ-24, УЛГ-36, А-10, FD-100, В2-ФСБ и другие. Рассмотрим систему сублиматор – десублиматор на примере установки УСС-5 (рисунок 9).

В системе сублиматор – десублиматор специальными вакуум-насосами поддерживают глубокий вакуум. Сушку в такой системе осуществляют следующим образом. Подготовленный продукт раскладывают на лотки и замораживают в скороморозильном аппарате, затем лотки с продуктом помещают в сублиматор. Если на предприятии нет скороморозильного аппарата, лотки с продуктом можно без предварительного замораживания размещать в сублиматоре. В этом случае при создании глубокого вакуума продукт в результате испарения влаги замерзнет, произойдет так называемое самозамораживание.

Герметически закрыв сублиматор, системой вакуум-насосов создают в нем разрежение (остаточное давление в сублиматоре должно быть от 13,3 до 66,7 Па), и только при достижении вакуума к продукту с помощью нагревательных элементов подводят тепло. Образующийся в результате возгонки льда пар поступает в десублиматор, где намораживается на трубы, охлаждаемые специальным хладагентом (чаще всего аммиаком). В это время температура продукта находится в пределах от минус 10 °C до минус 20 °C. Такая сушка продолжается от 8 до 10 ч (в зависимости от продукта), затем температура повышается, и удаление остаточной влаги происходит при плюсовых температурах.

Полное время сушки от 11 до 12 ч (мясо). Конечная влажность продукта должна быть от 4 % до 5 %. Таким образом, сушка продукта на сублимационной установке может быть разбита на три периода. Первый период – самозамораживание продукта, когда он теряет в зависимости от условий и структуры первоначальную, легко отдаваемую влагу (от 3 % до 4 %). Второй период – сушка продукта в замороженном состоянии – период сублимации (лиофилизация), за это время из продукта удаляется до 80 % влаги. Последний, третий период – это тепловая сушка, осуществляемая при плюсовых температурах. Для получения доброкачественного продукта очень важно, чтобы период тепловой сушки наступил как можно позже и продолжался как можно меньше, чтобы плюсовые температуры не повышались до пределов, при которых разрушались бы биологически активные вещества (витамины, ферменты и пр.), и происходила бы возгонка ароматических веществ.

1 – сублиматор; 2 – десублиматор; 3 – система вакуум-насосов

Рисунок 9 – Установка УСС-5 для сушки методом сублимации

Конструкция сублимационной установки должна обеспечивать не только нормальное течение собственно сублимации, но и условия, необходимые для правильного проведения третьего периода сушки, при этом решающее значение имеет способ подвода к продукту тепла.

В настоящее время в сублимационных установках применяют три основных способа подвода тепла. Первый способ состоит в использовании пустотелых плит, которые могут предельно близко приближаться к продукту. Теплоносителем для нагрева плит служит горячая вода, этиленгликоль и любая другая инертная жидкость, обладающая большой теплоемкостью и теплоотдачей. Второй способ заключается в применении для нагрева продукта так называемых тэнов – нагревателей в виде пластин различных размеров, обогреваемых электроэнергией, пропускаемой через проволоку большого сопротивления. Третий способ подвода тепла – применение кварцевых ламп инфракрасного излучения. Промышленное значение пока имеет первый способ, он позволяет подводить тепло к продукту как радиационно, так и контактно.

Излишне подведенное тепло может вызвать преждевременное оттаивание продукта, что крайне нежелательно, так как приведет к его порче.

Недостаточное количество тепла, подводимое к продукту во время сушки, замедлит скорость сушки и в некоторых случаях может привести к ее остановке. В процессе сублимации, по мере высыхания внешнего слоя продукта, подвод тепла к зоне льда затрудняется, в связи с чем необходимо в этот момент усилить температуру генератора тепла. Однако здесь надо иметь в виду, что чрезмерное повышение температуры источников нагрева может привести к перегреву уже высохших внешних слоев продукта и даже к их подгоранию.

Таким образом, подвод тепла в зону сублимации сквозь уже высушенный продукт снижает скорость сушки. Из сказанного ясно, что для интенсификации процесса сублимации существенное значение имеет метод подвода тепла к высушиваемому продукту.

Перспективным следует считать нагрев с помощью инфракрасного излучения. Это излучение способно проникать в высушиваемый материал на различную глубину, что может обеспечить подвод тепла равномерно по всей глубине зоны сублимаций и исключит перегрев поверхности продукта. При таком способе подвода тепла исключается необходимость плотного прилегания источников энергии к высушиваемому материалу.

Источником инфракрасного излучения могут быть различные плиты, нагреваемые каким-либо теплоносителем, или тэны (темные излучатели), или различные ламповые излучатели (светлые излучатели).

Наиболее широко используются для сублимационной сушки пищевых продуктов установки УСС-5, В2-ФСБ. Основной аппарат установки УСС-5 сублиматор, представляющий собой горизонтальный цилиндр из нержавеющей стали длиной 9,6 м и диаметром 2,8 м. Торцы сублиматора заканчиваются полусферическими крышками, закрываемыми и открываемыми специальными гидроагрегатами. С обеих сторон цилиндра по образующим приварены четыре патрубка для подсоединения вакуумной линии сублиматора и десублиматора. Внутри сублиматора установлены нагревательные элементы, набранные из отдельных горизонтально расположенных полых плит с лабиринтными перегородками. Подача и вывод теплоносителя из плит осуществляется через сильфонные патрубки. Установка снабжена тремя сублиматорами.

Десублиматор представляет собой полый горизонтально расположенный цилиндрический теплообменный аппарат длиной 7,64 м и диаметром 2,2 м. Он состоит из корпуса, выполненного из нержавеющей стали, заканчивающегося с одной стороны неразъемной эллиптической крышкой, а с другой – плоской крышкой из двух полукругов. Цилиндр разделен плоской вакуумноплотной перегородкой вдоль на две половины, работающие как самостоятельные камеры. Обе камеры оборудованы секциями из вертикально расположенных труб, внутрь которых может подаваться хладагент (аммиак). Десублиматор соединен с сублиматором четырьмя (по две на каждую камеру) патрубками, оборудованными шиберными вакуум-затворами ДУ 1200, которыми можно отделить десублиматор от сублиматора. Десублиматор имеет три смотровых окна, патрубки для подвода внутрь воды и слива ее в канализацию после размораживания льда. Он соединен вакуум-проводом (каждая камера отдельно) с системой откачки воздуха. В установке 3 десублиматора. Система откачки состоит из трех насосов ВН-500М и шести насосов ВН-6ГМ и обеспечивает создание вакуума до 66,7 Па.

В качестве теплоносителя используется дифенильная смесь, состоящая из 26,5 % дифенила и 73,5 % дифенилоксида, которая нагревается в отдельно стоящем котле и системой насосов прокачивается через полые плиты, установленные в сублиматоре.

Каждый из сублиматоров и десублиматоров может работать самостоятельно. Работа сублиматоров периодическая, с автономным регулированием и поддержанием основных технологических параметров процессов, осуществляемым с пульта управления.

Помещения, где установлены сублиматоры, разделены плотной перегородкой на две самостоятельные части, так что продукт загружается в сублиматоры с одной стороны, а выгружается с другой. В помещение выгрузки подается кондиционированный воздух (влажностью не более 35 %).

Работа каждого сублиматора состоит из следующих операций:

1) загрузки замороженным продуктом, находящимся на противнях, установленных на специальных тележках;

2) закрытия крышки со стороны загрузки;

3) вакуумирования сублиматора до абсолютного давления воздуха 66,7 Па;

4) сублимации льда с разогревом плит до максимальной температуры;

5) вакуумно-тепловой досушки со снижением температуры нагревательных плит до минимальной заданной величины;

6) девакуумирования сублиматора с прекращением подачи теплоносителя в нагревательные плиты и хладагента в трубы десублиматора;

7) открытия крышки сублиматора со стороны выгрузки продукта;

8) выгрузки из сублиматора тележек с высушенным продуктом.

Продолжительность полного цикла работы сублиматора зависит от состояния и вида высушиваемого продукта.

Противни с разложенным продуктом помещают в морозильные камеры с температурой минус 40 °C и замораживают до температуры от минус 25 °C до минус 30 °C, затем на подвесных тележках по подвесному рельсовому пути подают в загрузочное отделение сублиматоров.

После стыковки подвесных рельсовых путей – внешнего (цехового) и внутреннего (сублиматора) – тележки с продуктом загружают в сублиматор, закрывают крышку и откачивают из системы сублиматор – десублиматор воздух до давления 66,7 Па, пуская в ход четыре вакуум-насоса. По достижении указанного давления вакуум в системе поддерживается только одним насосом ВН-6ГМ. Влага, испаряющаяся в зоне сублиматора из продукта, по вакуумпроводу поступает в десублиматор и намораживается на охлаждающихся трубах, а неконденсирующиеся газы удаляются в атмосферу насосом ВН-6ГМ.

По окончании процесса лед в десублиматоре оттаивается нагнетаемой туда горячей водой. Конструкция десублиматора позволяет оттаивать лед во время сушки, выключая поочереди из системы одну из камер десублиматора. Таким образом, исключается непроизводительная трата времени на подготовку сублиматора к следующему циклу сушки.

По достижении влажности 5 %, чему соответствует температура продукта от 50 °C до 55 °C, система сублиматор – десублиматор отключается от вакуумсистемы и девакуумируется напуском азота. Затем крышку сублиматора со стороны выгрузки открывают, и тележки с продуктом по монорельсу выкатываются (автоматически) из сублиматора в помещение расфасовки. Перед выгрузкой в помещении с помощью кондиционированной установки устанавливаются заданные параметры воздуха. Крышка сублиматора со стороны загрузки в это время должна быть закрыта во избежание попадания в расфасовочное отделение влажного воздуха и увлажнения гигроскопического сублимированного продукта.

Управление процессом сублимирования осуществляется по программе автоматически, однако система предусматривает при необходимости переход на ручное управление.

Контрольные вопросы

1. Какие способы сушки используют при производстве пищевых концентратов?

2. Охарактеризуйте способы тепловой сушки.

3. Какие типы сушилок используют при конвективном способе сушки?

4. Опишите принцип работы конвейерных ленточных сушилок.

5. В чем заключается принцип работы шахтной сушилки «Эврика», ее преимущества и недостатки?

6. Какие существуют особенности и принцип работы шахтной сушилки?

7. В каких сушилках осуществляют сушку продукта в виброкипящем слое?

8. Опишите принцип работы сушилки А1-КВР.

9. Для сушки каких продуктов используют распылительные сушилки?

10. Какие распылительные сушилки относятся к пневматическим, а какие – к центробежным?

11. Приведите особенности работы распылительной сушилки «Нема».

12. Опишите принцип работы распылительной сушилки «Ниро Атомайзер».

13. Какие существуют особенности кондуктивного способа сушки?

14. Опишите принцип работы сушильно-дробильного агрегата.

15. Какие существуют преимущества и недостатки сушки продуктов методом сублимации?

16. Охарактеризуйте сушку продуктов методом сублимации с помощью диаграммы.

17. Опишите принцип работы сублимационной установки.

18. Из каких основных узлов состоит сублимационная установка?

19. При каких технологических параметрах и в течение какого времени протекает сушка продуктов методом сублимации?

20. Какие продукты можно сушить методом сублимационной сушки?