Гигроскопические характеристики и термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии лактобактерий и воды

Статика процесса сушки является основным этапом при исследовании различных способов сушки и базой для обоснованного научного анализа кинетики процессов влаго-удаления и оценки движущей силы процесса [2, 3]. Сушка большинства бактериосодержащих продуктов происходит в области гигроскопического состояния, вследствие этого для расчета процесса используются кривые сорбции-десорбции, по которым определяется вид и энергия связи влаги с материалом.

Исследования гигроскопических свойств биомассы лактобактерий Lactobacillus plantarum (штамм депонирован во Всероссийской коллекции микроорганизмов под номером ЛТ7) проводились тензиметрическим методом Ван Бамелена. Согласно данному статическому методу образцы биомассы лактобактерий, предварительно обезвоженные сушкой с распылением, с заранее определенным влагосодержанием выдерживались в эксикаторах над водным раствором соляной кислоты, при этом каждой концентрации растворов соответствовало при данной температуре Т , К, определенное значение относительной влажности воздуха φ , %, в эксикаторе. Определение равновесного влагосодер-жания U_P осуществлялось в диапазоне φ = 1..100 %, для значений Т = 293 К и Т = 308 К.

Исследования проводились с помощью вероятностно-статистических методов планирования и обработки результатов. По данным экспериментальных исследований построены изотермы сорбции биомассы лактобактерий (рис. 1).

Рис. 1. Экспериментальные изотермы сорбции во- дяного пара биомассой лактобактерий

Анализ изотерм сорбции водяного пара биомассой лактобактерий показывает незначительную зависимость сорбционной способности биомассы лактобактерий от температуры. С повышением температуры равновесное влаго-содержание U P уменьшается, что характерно для большинства бактериосодержащих препаратов.

По виду изотерм сорбции согласно классификации предложенной А.В. Лыковым [3] биомассу лактобактерий можно отнести к группе капиллярно-пористых коллоидных тел, в которых для жидкости характерны различные формы связи влаги с твердым скелетом, присущие как капиллярно-пористым, так и коллоидным телам. Стенки капилляров эластичны и набухают при поглощении жидкости, а при высушивании дают усадку.

Характер изотерм (см. рис. 1) свидетельствует о сложном механизме процесса влаго-поглощения, при этом наличие точек перегиба указывает на изменение механизма сорбции, а следовательно, и качественное изменение формы связи удаляемой влаги [2, 3]. Соответственно скорость обезвоживания на различных этапах в процессе распылительной сушки биомассы лактобактерий будет определяться тем или иным видом связи.

На участке изотермы U P < 0,07 кг/кг (см. рис. 1) сорбционная способность биомассы практически не зависит от температуры. Очевидно, что при сорбции паров воды биомассой на этом участке формируются энергетически прочные гидратные комплексы (кулоновский (ориентационный) характер гидратации) за счет адсорбции сольватных молекул жидкости молекулами внешней и внутренней поверхности мицелл биомассы. Таким образом, на первоначальном участке сорбции происходит образование слоя мономолекулярной адсорбции, и поглощение жидкости сопровождается значительным выделением тепла -теплоты гидратации (набухания).

При поляризации последующих слоев предыдущими молекулы воды продолжают находиться в ориентированном состоянии [1, 2, 3]. На участке U p = 0,07.. .0,6 кг/кг изотермы обращены выпуклостью к оси влажности воздуха, что типично для полимолекулярной адсорбции, и поглощение жидкости сопровождается выделением теплоты, однако количество ее уменьшается по мере увеличения вла-госодержания и свидетельствует о снижении влияния на молекулы воды физикохимической связи и постепенном приближении к свойствам обычной (свободной) жидкости.

Участку изотермы Up > 0,6 кг/кг (рис. 1) соответствует поглощение жидкости без выделения тепла, а значит, и без изменения внутренней энергии в объеме тела, и при этом увеличение объема в процессе набухания согласно основному уравнению термодинамики происходит за счет увеличения энтропии. Это подразумевает согласно теории С.М. Липатова [2] избирательную диффузию жидкости через замкнутые стенки ячеистой структуры, сформированные нерастворимыми фракциями высокомолекулярного веса, внутрь ячеек (клеток) за счет разности осмотических давлений, которая обусловлена разностью концентраций растворимых фракций низкомолекулярного веса. Для участка изотермы Up > 0,6 также ха рактерно наличие «свободной» жидкости в объеме микро- и макрокапилляров пор за счет смачивания без выделения теплоты.

Для математического описания процесса сорбции биомассы лактобактерий на основе экспериментальных данных были получены аппроксимирующие зависимости относительной влажности воздуха от равновесного влагосодержания продукта Up, кг/кг, температуры T, К:

Ф (U p , T ) = ( - 0,12075 ■ T + 30,84607 ) • U 4 +

+ ( 0,24405 ■ T - 61,70143 ) ■ U³₆ +

+ ( - 0,17396 ■ T + 42,59773 ) ■ U} +

+ ( 0,04484 ■ T - 9,27822^ U p + ( 0,00003 ■ T + 0,04893 ) . (1)

В основополагающих работах по теории сушки [2,  3] обоснованы перспективы термодинамического подхода, базирующегося на известных законах классической термодинамики, для анализа и описания процессов массопереноса в объектах обезвоживания.

В работах А.В. Лыкова [2] обосновано, что в области гигроскопического состояния материала разность химических потенциалов Δ µ по абсолютной величине равна энергии связи влаги Е или изменению свободной энергии Гельмгольца:

IА ^ = Е = -^{[dA F} 1 = - RT ln ф ,        ⁽²⁾,

(d U6 J где R = 8,314 - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль^К).

Зная зависимость (1), можно определить числовые значения энергии связи E :

E = -А ^ = - R ■ T ■ ln

[ ( - 0,12075 - T + 30,84607 ) ^ U 4 +

+ ( 0,24405 ■ T - 61,70143 ) " U ³₆ + + ( - 0,17396 ■ T + 42,59773 ) ■ U³ +

+ ( 0,04484 ■ T - 9,27822 0 U p +

+ ( 0,00003 ^ T + 0,04893 )         ^

Определим изменение свободной энергии путем дифференцирования известного уравнения Гиббса-Гельмгольца по U p ( P, T = const): A F = А Е - T ■A S , где Т -A S -связанная энергия; A S - изменение энтропии;

dA F ) _^[ dA E )       ^[ 8AS )           (4)

d U „ I Дд U I      Id U I '

p /t , P \ p TT , P      \ p TT , P

При дифференцировании выражения (4) по T получаем:

д д T

дА Р )

I dU I V р 7

f дА А ) I dU I

V р 7

тогда с учетом выражения (2), имеем зависимость для дифференциального изменения энтропии связанной воды: f дА А )    _ д ( R • T • ln ф ) .

I I     = д т

^{V p} 7 т, P

Таким образом, зная зависимость

Ф(Up, T), можно определить численные значе- ния свободной

связанной

f дА А ) ди

V р 7 т, р

T •

и внутренней энергии (теплового эффекта)

сорбции (рис. 2).

Отрицательное значение дифференциального изменения свободной энергии во всем диапазоне влагосодержания (см. рис. 2) указывает на высокую гигроскопичность биомассы лактобактерий. Характер изменения энтропийной составляющей во всем диапазоне влагосодержания Up обусловлен стремлением си стемы к термодинамическому равновесию, f дА А )

I⁵ U p J

причем величина

T •

во всем диапа

зоне имеет отрицательное значение, приближаясь к нулю при увеличении U p , что характерно для большинства биополимерных продуктов [1].

Рис. 2. Зависимость изменений свободной (1), связанной (2) и внутренней энергии (3) при сорбции паров воды биомассой лактобактерий

Дифференциальное изменение внутренней энергии на участке влагосодержания U_p < 08 кг/кг отрицательно , т.е. присутствуют тепловые эффекты при сорбции.

Изменение энергий связи влаги с материалом и характер перемещения влаги в исследуемом продукте типичны для биополимеров. Для интенсификации процесса сушки биомассы лактобактерий целесообразно увеличение площади поверхности массообмена за счет диспергирования продукта (распыление, кипящий слой) и использование объемных способов энергоподвода.

На основе анализа процесса сорбции паров воды биомассой лактобактерий можно рекомендовать конечную влажность продукта W < 0,065 кг/кг, что равно U_P < 0,07 кг/кг для последующего хранения, соответствующую образованию мономолекулярного адсорбционного слоя.

Результаты исследований показывают, что высушенный распылительной сушкой порошок биомассы лактобактерий относится к порошкам с высокой степенью гигроскопичности. Это обусловлено тем, что значительная часть сухого вещества биомассы приходится на долю гидрофильного компонента - лактулозы.

Таким образом, целесообразно дальнейшие технологические стадии по переработке, фасовке и упаковке выполнять оперативно и при минимальной относительной влажности воздуха рабочих зон. Длительное хранение продукции необходимо осуществлять в герметичной упаковке и вентилируемых помещениях. Кроме того, результаты экспериментальных исследований необходимо учитывать при разработке технологий функциональных продуктов питания, лечебных и лечебнопрофилактических препаратов с использованием порошка биомассы лактобактерий.