Изучение форм связи влаги в семенах кориандра на основе анализа кинетики сушки

При исследовании и оптимизации параметров процесса сушки семян кориандра изучение форм связи влаги имеет важное теоретическое и практическое значение. В процессе сушки семена кориандра под воздействие теплоты и влаги могут значительно изменять свои физические свойства. Эти изменения обусловлены молекулярным характером связи влаги с сухим скелетом вещества. Процесс удаления влаги из семян кориандра, представляющих собой коллоид-ноекапиллярнопористое тело, зависит от характера молекулярной связи жидкости, содержащейся в семенах и сопровождается нарушением связи ее с сухим скелетом вещества, на что затрачивается определенная энергия [1–3, 10–15].

Каждая форма связи влаги по П.А. Ребиндеру характеризуется определенной энергией связи. При сушке семян кориандра удаляется физико-механически и физико-химически связанная влага, которая по своей природе и энергии связи подразделяется на капиллярную, осмотически связанную, адсорбционно связанную влагу полимолекулярных и мономолекулярных слоев. Для того чтобы удалить из семян влагу той или иной формы нужно затратить определенное количество энергии, зависящее от энергии связи влаги и количества влаги данной формы в продукте.

Применение современных компьютерных технологий и средств автоматизации позволяет оптимизировать энергетические и материальные затраты на процесс сушки. Однако, для разработки надежного способа управления процессом сушки и оптимизации температурных режимов и энергетических затрат необходимо знать точное соотношение различных форм связи влаги в продукте и энергию ее связи. Сложность задачи заключается в том, что для семян кориандра в зависимости от сорта, климатических условий выращивания, влажности при уборке с полей и т. д. соотношения влаги различных форм связи будет не одинаково. При переработке сырья на соотношения влаги различных форм связи также могут оказывать влияние многие случайные факторы на предшествующих сушке производственных стадиях.

Поэтому изучение форм связи влаги в семенах кориандра и разработка точных и ускоренных методов определения физического состояния и свойств воды в продуктах имеет важное теоретическое и практическое значение и является актуальной.

Цель работы – определение качественной и количественной оценки форм связи влаги в семенах кориандра на основе графической обработки кинетики сушки.

Материалы и методы

Исследования кинетики СВЧ-сушки семян кориандра проводились в стационарном режиме на установке, описанной в [1]. Установка представляла собой цилиндрическую сушильную камеру с установленными магнетронами и систему подвода воздуха с элетрокалорифером. По высоте сушильной камеры были установлены пробоотборники.

Для исследования кинетики сушки семена кориандра предварительно увлажнялись до необходимой начальной влажности.

Параметры процесса поддерживались постоянными в интервале значений: температура сушильного агента от 303 до 363 К; СВЧ-мощность от 60 до 300 Вт/кг с.вещ . Отбор проб осуществлялся одновременно в пяти точках по высоте слоя с интервалом в 1 минуту. Влажности семян кориандра определялась методом высушивания до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 378 К в течение 3 часов.

Для обработки массива экспериментальных данных по кинетике сушки, аппроксимации функции f ( U ) и проведения графо-аналитического метода применялись современные компьютерные технологии и программа Маthсаd.

Результаты и обсуждение

С использованием метода планирования эксперимента проведены исследования кинетики СВЧ-сушки семян кориандрав экспериментальной сушильной установке.

Кинетика сушки семян кориандра при различных значениях температуры сушильного агента представлена на рисунке 1. Кинетика сушки семян кориандра при различных значениях СВЧ-мощности представлена на рисунке 2.

Как известно [2, 3, 10–12] изменение влаго-содержания и температуры материала в процессе сушки делится на два периода: постоянной скорости и падающей скорости.

Рисунок 1. Кривые сушки семян кориандра: 1 – Т с.а = 303 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 180 Вт/кг; 2 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 180 Вт/кг; 3 – Т с.а = 363 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 180 Вт/кг

Figure 1. Coriander seed drying curves: 1 – Т с.а = 303 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 180 W/kg; 2 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 180 W/kg; 3 – Т с.а = 363 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 180 W/kg

Рисунок 2. Кривые сушки семян кориандра: 1 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 60 Вт/кг; 2 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 180 Вт/кг; 3 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 300 Вт/кг

Figure 2. Coriander seed drying curves: 1 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 60 W/kg; 2 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 180 W/kg; 3 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 300 W/kg\

Под скоростью сушки понимают изменение влагосодержания в единицу времени dU/d r . Графически продифференцировав кривую сушки семян кориандра, были получены кривые скорости сушки семян кориандра (рисунки 4, 5), которые демонстрирует значения скорости удаления влаги при изменяющемся влагосодер-жании продукта. Скорость сушки численно равна тангенсу угла наклона касательной к кри-

U кг вл кгс.вещ

Рисунок 3. Кривые скорости сушки семян кориандра: 1 – Т с.а = 303 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 180 Вт/кг; 2 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 180 Вт/кг; 3 – Т с.а = 363 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 180 Вт/кг

Figure 3. Coriander seed drying rate curves: 1 – Тс.а = 303 К, Qс.а = 141,3 m3/h, Руд = 180 W/kg; 2 – Тс.а = 333 К, Qс.а = 141,3 m3/h, Руд = 180 W/kg; 3 – Тс.а = 363 К, Qс.а = 141,3 m3/h, Руд = 180 W/kg dU/dr = f (U). Такой метод анализа был впервые предложен Т.К. Шервудом [2]. При анализе графиков сушки необходимо читать их в обратном порядке, так как влагосодержание материала в процессе сушки уменьшается. До настоящего времени данный метод анализа не считался точным и имел большие погрешности, так как операция проведения касательной выполнялась на глаз или для повышения точности с помощью специального прибора – зеркального дериватора. Поэтому данный метод служил только для качественного анализа кинетики процесса.

Кривые скорости сушки позволяют определить вторую критическую точку в виде точки перегиба или перехода прямой в кривую, что соответствует второму критическому влагосодержанию, которое на кривых изменения влагосодержания от времени практически не просматривается. Отметим, что данные кривые дают качественную картину протекания процесса сушки.

Известно [1, 5–8], что скорость второго периода N 2 ( U ) можно представить в виде произведения

N 2 ( U ) = N 1 X f ( U )

где N = f ( x , x ₂,.. . x _n) - скорость первого периода сушки, с^-1; х 1 , х 2 … х n – фактор процесса; f ( U ) – некоторая передаточная функция от вла-госодержания продукта.

Рисунок 4. Кривые скорости сушки семян кориандра: 1 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 60 Вт/кг; 2 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 180 Вт/кг; 3 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 300 Вт/кг

Figure 4. Coriander seed drying rate curves: 1 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 60 W/kg; 2 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 180 W/kg; 3 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 300 W/kg

Если принять, что для установившегося режима сушки при постоянных параметрах скорость первого периода есть величина постоянная N 1 = const, как представлено на графиках (рисунки 3, 4), то скорость второго периода сушки зависит только от влагосодержиния продукта. Тогда для дальнейшего и более глубокого анализа кинетики процесса сушки семян кориандра применим величину, определяющую быстроту изменения скорости сушки, тоесть первую производную отскорости сушки повлаго-содержанию dN dU или вторую производную отвлажности. К этой величине применим термин «ускорение сушки» [4].

Вторая производная от влагосодержания или dN dU представляет собой скорость изменения наклона f( U) кривой N ( U ) = N x f ( U ) , и дает указание на то, как изогнута кривая. Положительный или отрицательный знак скорости изменения f ( U )указывает на то, что эта функция возрастает или убывает с изменение влагосодержания материала. Так как удаление из продукта каждой из водных фракций с различными энергиями связи происходит со скоростью, изменяющейся по различным законам, то каждая фракция, будет характеризоваться своей быстротой изменения скорости сушки.

Построение графика зависимости dN dU от влагосодержания U позволило определить точки перегиба, интервалы выпуклости и вогнутости функции f ( U ), которые дают более полное и точное представление о критических влагосодер-жаниях и интервалах удаления влаги той или иной формы связи, а так же позволяют произвести количественную оценку влаги различных фракций. Получить графическую зависимость dN dU от влагосодержания U можно продифференцировав график кривой скорости сушки. Величина dN dU числено равна тангенсу угла наклона касательной ккривой скорости сушки.

Погрешность измерения и нанесения точек на графике при графическом дифференцировании составляла не более 0,1 мм, а погрешность определения угла наклона касательной в точке на кривой не более 1'. Это дает основание, что полученные результаты обработки экспериментальных данных кинетики сушки семян кориандра являются высокоточными. По результатам графического дифференцирования кривых сушки построены графики «ускорений сушки» (рисунки 5, 6) при различных значениях температуры сушильного агента и СВЧ-мощности.

Рисунок 5. Кривые «ускорения сушки» семян кориандра: 1 – Т с.а = 303 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 180 Вт/кг; 2 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 180 Вт/кг; 3 – Т с.а = 363 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 180 Вт/кг

Figure 5. Curves of «accelerating drying» of coriander seeds: 1 – Т с.а = 303 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 180 W/kg; 2 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 180 W/kg; 3 – Т с.а = 363 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 180 W/kg

Рисунок 6. Кривые «ускорения сушки» семян кориандра: 1 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 60 Вт/кг; 2 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 180 Вт/кг; 3 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 м³/ч, Р уд = 300 Вт/кг

Figure 6. Curves of «accelerating drying» of coriander seeds: 1 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 60 W/kg; 2 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 180 W/kg; 3 – Т с.а = 333 К, Q с.а = 141,3 m³/h, Р уд = 300 W/kg

На полученных графиках хорошо видны периоды возрастающего и убывающего «ускорения сушки». Данные графики также как и графики скорости сушки следует читать справа налево.

В первом периоде сушки, когда скорость процесса постоянна N 1 = const на полученных графиках, участки имеют горизонтальный прямолинейный характер, а значение функции принимает нулевое значение, то есть быстрота изменения скорости сушки («ускорение сушки») равна нулю.

Отрицательное значение «ускорения сушки» семян кориандра указывает на то, что эта функция убывает с изменение влагосо-держания материала, а значит, быстрота изменения скорости сушки уменьшается. Это объясняется увеличением значения энергии связи влаги с сухим скелетом вещества с уменьшением влагосодержания в семенах.

Анализ полученных кривых свидетельствует о наличии участков, не определенных на кривых скорости сушки, с замедлением или ускорением изменения скорости сушки. Так как каждая водная фракция удаляется со скоростью, изменяющейся по разным законам, то по данным участкам, возможно, установить интервалы удаления влаги с различной энергией связи. Зная точные границы этих интервалов можно количественно определить фракционный состав влаги в продукте, удаляемой при сушке.

На всех графиках (рисунки 5, 6) хорошо видны экстремумы функции f ( U ) и точки перегиба, соответствующие первому U_{кр 1} и второму U_{кр 2} критическому влагосодержа-нию, в то время как на кривых скорости сушки значения критических влагосодержаний определены приблизительно.

Вторая критическая точка влагосодержаний находится в диапазоне от 0,078 до 0,084 кг вл /кг с.вещ . В зависимости от режимов сушки второе критическое влагосодержание имеет различное значение. Это объясняется тем, что температура и СВЧ-мощность интенсифицируют внутреннюю диффузию влаги, а также увеличением доли мономолекулярно-адсорбционной влаги, испарение которой происходит вместе с полимоле-кулярно-адсорбционной влагой.

Для проведения сравнительного анализа полученных нами результатов по количественному и качественному содержанию влаги в семенах кориандра воспользуемся данными [1] по исследованию форм связи влаги, полученными на основе дериватографического анализа. Данный метод позволяет провести количественный и качественный анализ форм связи влаги в материале. Однако, определение значение мономолекулярно-адсорбционной влаги данным методом затруднительно, так как энергия связи молекул воды с продуктом полимолекулярно-адсорбционном слое непрерывно возрастает при переходе от верхнего слоя к монослою. Для определения форм связи влаги в продукте дериватографическим методом требуется длительный качественный анализ всех кривых полученных в результате опыта. В результате дериватографического анализа [1] определена точка В на кривой DTG (рисунок 7) соответствующая границе интервала полимолекулярно-адсорбционной влаги в материале. Численные значения влагосодержания в точке В при начальных влагосодержаниях Uн, – 0,116; 0,155; 0,176 кгвл/ кгс.вещ составляют – 0,06; 0,074; 0,078 кгвл/кгс.вещ. Т.е. с увеличением начально-говлагосодердания соотношение влаги различных форм в семенах изменяется.

Из сравнительного анализа деривато-грамм семян кориандра и кривых «ускорения сушки», следует, что значения соответствующие первому U_{кр 1} и второму U_{кр 2} критическому влагосодержанию, полученные двумя разными способами очень близки. Отклонение значений может объясняться существенным различием скорости сушки и параметров проведения процесса в дериватографе и сушильной установке. Применение СВЧ-энергии, существенно интенсифицирует процесс сушки и доля полимолекулярно-адсорбционной влаги удаляется со скоростью свободной влаги, а долямономолекулярно-адсорбционной влаги удаляется со скоростью полимолекулярно-адсорбционной влаги. В связи с этим значения первого и второго критического влагосодержания при сушке в сушильной установке имеют немного более высокое значение, чем при сушке в печи дериватографа. Однако, для практического применения полученных результатов и разработки способов управления процессом сушки наиболее правильно будет использовать критические влагосодержания, полученные в результате сушки продукта в реальной установке.

Рисунок 7. Дериватограмма семян кориандра U Н =0,116 кг/кг; DТА =1/5; DТG =1/5; U Н =0,155 кг/кг; DТА =1/5; DТG =1/5; U Н =0,176 кг/кг; DТА =1/5; DТG =1/5; ТG =200 мг; dT/dτ =2,75 К/мин; ТG =500 мг; dT/dτ =2,75 К/мин; ТG =50 мг dT/dτ =1,25 К/мин m =500 мг m =500 мг m =300 мг

Figure 7. Derivatogram of coriander seeds U Н =0,116 kg/kg; DТА =1/5; DТG =1/5; U Н =0,155 kg/kg; DТА =1/5; DТG =1/5; U Н =0,176 kg/kg; DТА =1/5; DТG =1/5; ТG =200 mg; dT/dτ =2,75 K/min; ТG =500 mg; dT/dτ =2,75 K/min; ТG =50 mg dT/dτ =1,25 K/min m =500 mg m =500 mg m =300 mg

Заключение

На примере графо-аналитического анализа кривых скорости сушки семян кориандра предложен подход к определению форм связи влаги с материалом, позволяющий не только качественно, но и количественно провести оценку состояния влаги в продукте.

Проведен сравнительный анализ данных, полученных в результате графо-аналитическо-гоанализа кинетики сушки семян кориандра и данных дериватографическогоисследования, показывающий достоверность предложенного подхода.

Предложенный подход позволит исключить время на проведение лабораторных исследований по изучению форм связи влаги с материалом и может быть положен в основу способа управления и автоматизации процесса сушки на пищевых предприятиях и в смежных отраслях промышленности.

Введение в теорию сушки такой величины как «ускорение сушки» позволит более полно охарактеризовать период падающей скорости сушки и открывает дополнительные возможности к оценке подходов его интенсификации, оптимизации энергетических затрат и температурных режимов сушки.