Энергетические трансформации в пищевых технологиях

Введение                                чительного количества технологий в пище

Газожидкостные системы касаются зна-     вой, микробиологической, фармацевтической и химической отраслях промышленности. Существование таких систем иногда является результатом протекания химических, биохимических или комбинированных преобразований материальных потоков, или искусственное превращение и создание газожидкостных систем связывается с массообменом для обеспечения трансформаций энергетических и материальных потоков из них.

В значительном количестве случаев газожидкостные системы создаются в объемах специальных аппаратов или в форме газожидкостных потоков, однако, как правило, газовая фаза в них диспергирована и подлежит действию физических законов (Архимеда, Рейнольдса, Стокса, Бернулли, закона неразрывности потоков и т.д.).

Объект исследований

Технологии и гидродинамика газожидкостных систем в условиях анаэробных процессов сбраживания сахаросодержащих растворов.

Предметом исследований

Избраны закономерности энергетических и материальных трансформаций в газожидкостных системах.

Методы исследований

Закономерности материальных и энергетических трансформаций устанавливались на основе классических положений термодинамики, теории растворимости газов, законов Генри, Архимеда и на феноменологических умозаключениях.

Результаты и их обсуждение

Причиной и следствием создания газожидкостных систем является организация массообмена, теплообмена, механического перемешивания в интересах течения технологических процессов. Образование газожидкостной системы сопровождается энергетическими трансформациями на уровне синтеза поверхности раздела фаз, преодолением гидростатических давлений, образованием циркуляционных газожидкостных контуров и т.п. Само по себе существование газожидкостных систем означает присутствие в них энергетических потенциалов. Однако это присутствие связывается с синтезом диспергированной газовой фазы или введением ее в жидкостные среды. При таких условиях движущим фактором системы выступают силы, которые отвечают закону Архимеда.

Вместе с тем существует несколько скрытый потенциал растворенных газов, закономерности которого отображаются законом

Генри.

При этом важно, что существование потенциала растворенных газов поддерживается за счет таких термодинамических параметров, как давление и температура.

Рассмотрим некоторые особенности создания газожидкостных систем в пищевых и микробиологических технологиях. Они могут создаваться искусственно для обеспечения аэробных условий существования микроорганизмов и синтеза, например, хлебопекарных дрожжей или для аэрации сточных вод предприятий и создание условий симбиоза микроорганизмов активного ила. В указанных случаях задачами аэрации являются введение в среду растворенного кислорода и выведение диоксида углерода. Создание диспергированной газовой фазы в жидкостной означает создание определенного энергетического потенциала в форме кинетической и потенциальной энергий и энергии синтеза поверхности раздела фаз.

Наращивание потенциала сред имеет место в бродильных технологиях, однако в данном случае речь идет о потенциале давления растворенных газов. Известно, что процессы брожения, которые происходят с участием дрожжевых культур, сопровождаются образованием диоксида углерода. Если в производстве алкоголя синтезированный СО2 в большинстве случаев существует как выходной материальный поток, который на последующих этапах технологии не используется, то в производстве хлеба, пива и шампанских вин он является составной частью названной продукции. Первичное виноделие хотя и сопровождается синтезом СО2, но последний также применения не находит.

Оценивая тот факт, что сбраживание сахаросодержащих сред может осуществляться при высоких давлениях, следует прийти к выводу о, как минимум, тройном вреде, если создаваемый СО2 просто сбрасывается в окружающую среду. Во-первых, энергетический потенциал растворенного газа не используется для активации массообмена, во-вторых, диоксид углерода не отбирается для дальнейшего использования, и в-третьих -имеет место отрицательное экологическое воздействие. Между тем указанные негативные последствия в значительной степени могли бы быть локализованными и даже ликвидированными.

С этой точки зрения почти идеальное решение достигнуто производителями шам- панских вин. Оно касается как классической технологии производства шампанского бутылочным методом, так и технологий непрерывного брожения в акратофорах. Позитив двух названных технологий связан с тем, что концентрация сахара в виноматериалах, подлежащих сбраживанию, обеспечивает необходимую концентрацию СО2 около 10 г/л. Именно поэтому сбраживание таких сред завершается полной трансформацией сахаров в алкоголь и диоксид углерода. Создаваемый в результате таких процессов брожения продукт есть абсолютно сухим шампанским с технологическим названием "брют". В дальнейшем необходимые (и разные) концентрации сахара и алкоголя достигаются за счет их дозирования в форме приготовленных растворов-ликеров, а брют с его технологическими параметрами обеспечивает возможность создания ряда сухих, полусухих, полусладких и сладких шампанских вин.

Номинальная концентрация растворенного СО 2 10 г/л обеспечивается за счет двух термодинамических параметров, к числу которых относятся давление и температура. Этому положению соответствует закон Генри в форме:

С н = kP ,                (1)

где: c – максимальное насыщение

н среды газовой фазой в растворенном виде; k – константа Генри, которая учитывает физикохимические свойства сред, в том числе температуру; Р – парциальное давление газовой фазы в системе.

В соответствии с приведенным соотно шением и для обеспечения c = 10 г/л в

н акратофорах обеспечиваются давление газовой фазы около 0,6 МПа и температура около 6 °С. Количество растворенного СО2 в единице объема жидкостной фазы и давление определяют его энергетический потенциал

Есо2= PV=MRT.        (2)

Расчет выполним для единицы объема среды 1 м3, которому соответствует 10 кг растворенного газа, получим:

Е     = 10·188,9·279 = 527031 Дж =

527,031 кДж.

Для возможности сравнительной оценки указанной величины c перейдем к мощности, которая может развиваться за счет десатурации. Если время такого срабатывания

составит 10	с, то мощность
N CO	ECO 2   527,031      кВт
	ш    ~ 52,7    ’ Т (к)       10
а при	Т (к) = 20 с:
N CO	527,031       кВт. "   20     26,4

Названные показатели хотя и имеют приближенную оценку, однако мощности воздействия на среды на порядок и более превышают показатели энерговведения в классических технологиях.

Хотя присутствие энергетических потенциалов растворенных газов не требует дальнейших доказательств, однако их использование в интересах технологических процессов практически не достигается. Между тем существует два варианта такого использования.

Вариант первый . Он касается возможности того, что жидкостная фаза с растворенным СО 2 за счет нарушения условия термодинамического равновесия трансформируется в газожидкостной среде с диспергированной в ней газовой фазой. Очевидно, что эта часть влияния означает частичную десатурацию. Однако такой процесс легко прекратить повторным увеличением давления в системе. Последнее сопровождается повторным скоротечным растворением СО₂ из пузырьков, которые прекращают свое существование в результате коллапса в процессе кавитации.

Очевидно, что резкое прекращение десатурации в таких системах по своим последствиям близко к кавитации и может использоваться для интенсификации массообменных процессов и энергомассообменных трансформаций. Учитывая значительное количество предприятий бродильной промышленности и самогенерировання в технологических аппаратах СО 2 , следует прийти к выводу о перспективности использования этих явлений.

Второй вариант использования потенциалов растворенных газов в жидкостных средах касается случаев использования технологических аппаратов со значительными гидростатическими давлениями сред. В соответствии с законом Генри гидростатические давления должны сопровождаться концентрационными градиентами СО 2 по высоте аппаратов. Это означает возможность дополнительных энергоматериальних трансформаций в их энергетическом обеспечении.

Увеличение физических и гидростатических давлений в технологических аппаратах, в которых осуществляется синтез диоксида углерода или его принудительная подача и диспергирование в жидкостной фазе, означает повышение растворимости в соответствии с законом Генри. В бродильных средах, поскольку в них генерируется СО 2 , парциальное давление равно общему давлению. Последнее исчисляется суммой давления в газовой фазе аппарата и гидростатического давления. Это означает, что, например, в таких аппаратах значительной высоты как ЦКТ пивоваренной отрасли, растворимость диоксида углерода по высоте будет разной, что приводит к существованию концентрационного градиента, особенно в условиях ограниченной вертикальной циркуляции. Однако даже при существовании такой ситуации достигалось бы определенное приближение к выравниванию концентрации СО₂, однако физическое основание неравномерности растворимости не исчезает. Это означает, что образование диспергированной газовой фазы по высоте аппаратов будет разным. Следствием такой ситуации будет разная скорость передачи СО 2 в газовую фазу по высоте среды и разная плотность диспергированной газовой фазы. С учетом феноменологических соображений следует прийти к выводу о том, что плотность диспергированной газовой фазы определяет гидродинамические показатели газожидкостных систем, в том числе удерживающую способность по газовой фазе, абсолютную скорость всплывания газовых пузырьков как проявление действия Архимедовой силы и интенсивности циркуляционных контуров. Дополнительное влияние на последние имеют режимы охлаждения сред.

Процесс образования диспергированной газовой фазы следует рассматривать трехступенчатым. На первом этапе происходит синтез СО 2 в дрожжевых клетках, второй этап касается массопередачи через клеточные оболочки в среду, и на третьем

- образование газовых пузырьков, увеличение их размеров и всплытие под действием Архимедовой сил. Выполненный анализ приводит к выводу о неоднородности гидродинамики в средах и целесообразности влияния на нее за счет использования потенциалов растворенных газов и диспергированной газовой фазы.

Проявления таких потенциалов достигаются за счет изменения давления в газожидкостных средах, которые можно программировать. При этом изменения давления касаются трансформаций обоих потенциалов и сопровождаются механическими, гидродинамическими, кавитационными воздействиями, гидравлическими ударами и т.п. Возможно также влияние на среды в форме организации циркуляционных контуров [1] или за счет резких снижений давления в системах [2].

Технологии, связанные с насыщением жидкостных сред диоксидом углерода с последующим скоротечным режимом десатурации, также могут найти широкое применение в отраслях пищевой промышленности, например, в системах для получения диффузионного сока [3], соков овощей, фруктов, ягод и т.п.

Создание энергетических потенциалов растворенных газов, как было показано, связано с их физическими и химическими характеристиками непосредственно, в том числе относительно свойств сред. К таким выводам приходим на основе анализа литературных источников, хотя полнота их заметно ограничена по воздействиям растворенных в средах веществ [4, 5]. В табл. 1 приведены данные, относящиеся к растворимости СО 2 в сухом вине. Последнее означает, что сахарá в среде отсутствуют, а концентрация алкоголя близка к 8…9 %. Однако информация о присутствии других сухих веществ в растворенном состоянии также отсутствует. Однако даже при таких условиях представленная динамика воздействий давлений и температур для анализа ситуации является полезной.

Таблица 1 - Растворимость диоксида углерода в вине в зависимости от давления и температуры, г/л

Температура, °С	Давление, бар
	1	2	3	4	5	6	7
0	3,62	7,25	10,87	14,50	18,12	21,75	25,37
2	3,39	6,78	10,17	13,56	16,94	20,33	23,72
4	3,17	6,34	9,52	12,69	15,86	19,03	22,21
6	2,97	5,95	8,92	11,90	14,57	17,84	20,82
8	2,79	5,58	8,37	11,16	13,97	16,75	19,54
10	2,62	5,25	7,84	10,49	13,11	15,74	18,36

12	2,47	4,94	7,40	9,87	12,34	14,81	17,27
14	2,32	4,65	6,97	9,30	11,62	13,95	16,27
16	2,19	4,38	6,58	8,77	10,96	13,15	15,34
18	2,07	4,14	6,21	8,28	10,35	12,42	14,49

Зависимость растворимости (константы Генри) от давления является линейной, что собственно соответствует закону Генри.

Влияние температур на растворимость газа представлено на рис. 1 и 2.

В бродильных технологиях количества и концентрации СО 2 вполне программируемы, поскольку известны характеристики сброженных сред.

Так, начальная концентрация сахаров в сброженном пивном сусле 13 %, а биохимическим превращениям соответствует известное уравнение Гей-Люссака:

ОДД ^ 2С₇НОН + 2СО₇ + 115 кДж. 6 12 6 2 5 2

Количественный подсчет синтезированных продуктов осуществляется с учетом атомных масс:

С : 72 Н : 12 О : 92	48               24 12 32               64
180	92                88

При указанных соотношениях сахаров и диоксида углерода рассчитываются концентрации СО2 в средах (табл. 2).

Таблица 2 - Концентрации СО 2 , образующиеся в средах за счет сбраживания различных концентраций сахаров, кг/м³

Массовые концентрации сахаров, кг / м3
8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
3,91	4,40	4,89	5,28	5,87	6,35	6,84	7,33	7,82	8,31	8,80	9,29	9,78	10,27	10,76

Рис. 1. График зависимости насыщения СО2 от температуры для пива при: 1 – Р = 2 бар; 2 – Р = 6 бар

Рис. 2. График зависимости насыщения СО2 от температуры для сухого вина при: 1 – Р = 2 бар;

2 – Р = 7 бар

Если технологию брожения пива осуществлять с ориентиром на концентрацию СО2 4 г/л, как это соответствует стандарту, то начальная концентрация экстрактивных веществ должна составлять 8,18 г/л. Отсюда следует, что в процессе брожения с каждого кубического метра среды выводится СО2 в количестве:

М_со = 6,36 - 4,0 = 2,36 кг.

Очевидно, что такие потери материального потока СО 2 являются программируемыми. В отличие от производства шампанского в этом случае контролируемой величиной в целевом продукте есть концентрация алкоголя, которая при отсутствии потерь должна была бы составлять:

13-92            ,з

М_г н он = ЮА = 6,64 кг/м .

С₂Н₅ОН    180

Напоминание о потерях алкоголя связаны с тем, что они действительно имеют место в периоды вывода из среды "лишнего" диоксида углерода, концентрация которого превышает уровень насыщения. Последний определяется давлением в системе, стабилизация которого означает достижение определенного значения СО₂. Если сбраживание пива осуществляется в открытых аппаратах, то это означает постепенные потери диоксида углерода в режимах ламинарных перемещений диспергированной газовой фазы. В герметизированных аппаратах снижение давления является откликом на срабатывание предохранительных клапанов и сопровождается скоротечным изменением гидродинамики среды. По современным рекомендациям доб-раживание сусла должно продолжаться 6…7 суток при температуре от нуля до -1 °С. Это должно обеспечить концентрацию СО 2 около 5 г/л, что на 1 г/л превышает нормативный показатель. Однако это превышение создает резерв, который теряется в следующих технологических операциях.

Технологии сбраживания пивного сусла в классическом представлении делятся на два этапа: собственно брожение и дображивание. Первому этапу соответствуют температуры около 6°С (в современных ускоренных технологиях -12…14°С). Это означает, что состояние насыщения на СО2 будет достигаться только через определенное время, тем более, что на пути этого процесса стоят осмотические и температурные шоковые воздействия на дрожжевые клетки. Таким образом, динамика накопления СО2 напрямую связана со скоростью сбраживания сахаров, которая в свою очередь зависит от температуры среды, присутствия соответствующих концентраций сахаров, компонентов азотного и фосфорного питания, биостимуляторов, растворенного кислорода в период лаг-фазы и т.п. Перечень при- веденных факторов влияния приводит к тому, что в классических технологиях на операцию брожения отводится 6…7 суток с соответствующим достижением на какой-то момент времени состояния насыщения среды СО2.

В аэробных условиях синтеза микроорганизмов, которые создаются непрерывной подачей воздуха, достигается полное по термодинамическим условиям насыщение среды азотом, динамическими уровнями растворенных кислорода и диоксида углерода. Если при таких условиях осуществлять изменение давления, то по составляющей азота реакция системы будет присутствовать обязательно, а реагирование со стороны растворенного диоксида углерода и кислорода будет иметь место только при условии выхода за показатели термодинамического равновесия. При этом важно, что с точки зрения интересов обеспечения аэробных условий процесс может происходить при различных средних давлениях, поскольку диапазон возможных рабочих давлений в средах достаточно широк. Возможно с уверенностью утверждать, что единственным лимитирующим показателем в этих условиях являются энергетические затраты, которые возрастают с увеличением давления воздуха, подаваемого на аэрацию.

Важной задачей газожидкостных систем в условиях культивирования аэробных микроорганизмов является создание интенсивного массообмена по всем составляющим.

К ним относятся гомогенизация среды по питательным компонентам, температурам, растворенным газам, микроорганизмам [6, 7]. При этом должны достигаться некоторые дополнительные условия. Например, для повышения выхода хлебопекарных дрожжей концентрация растворенных сахаров должна укладываться в некоторые минимальные границы, а концентрация растворенного кислорода должна составлять около 0,25 от состояния насыщения [8, 9]. Все это означает, что состояние газожидкостной среды должно быть достаточно динамичным. Обеспечение последнего достигается введением в жидкостную культуральную среду энергоматериального потока сжатого воздуха.

При анаэробном брожении газовая фаза и энергетический потенциал создаются в процессе сбраживания сахаров, поэтому динамика накопления газовой фазы и возможности влияния через нее на гидродинамику и массообмен в средах отличаются.

Выводы

• 1.    Уровень дисперсности газовой фазы в жидкостной среде зависит от скорости, с которой происходит взаимодействие фаз. Такое взаимодействие следует организовывать в режиме противотока.

• 2.    Опрокидывание циркуляции газожидкостных контуров означает возможность пребывания сред в режимах переходных процессов с повышением показателей газосо-держания и удерживающей способности по газовой фазе.

• 3.    Генерирование пульсационных воздействий на газожидкостные среды в локальных зонах значительных объемов мало перспективно в связи с их диссипативными свойствами. Рациональным следует считать изменение давления газовой фазы над культуральной средой. В связи с разработанной теорией определения частотных характеристик внешние воздействия следует приближать к ним по показателю частоты.