Сушка термолабильных культур в ИК-диапазоне с учетом оптических свойств продукта

На сегодняшний день использование инфракрасного излучения в технологических процессах переработки и хранения сельскохозяйственной продукции растительного происхождения становится все более актуальным, так как оно является экологически чистым и энергоэффективным средством в получении лекарственных сборов и продуктов питания высокого качества. ИК-излучение обладает множеством положительных особенностей, одной из которых является способность излучения к специфическому воздействию на биологический объект на клеточном и молекулярном уровнях [1].

Применение ИК-излучения для сушки сырья -это один из самых распространенных технологических процессов, используемых в химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Трудно найти такое химическое и фармацевтическое производство, на котором не было бы операции сушки того или иного вещества или препарата. Наиболее часто сушка является завершающим этапом технологического процесса с получением целевого продукта. Однако современные концепции в сельскохозяйственной и химикофармацевтической науке в области теории сушки свидетельствуют о том, что тепловые и массообменные процессы нередко сопровождаются изменением структурно-механических свойств высушиваемого материала, образованием полиморфных форм и кристаллогидратов лекарственных веществ, реакциями окисления, гидролиза, а также приводят к изменению растворимости, всасывания, снижению или потере терапевтической ак- тивности и питательной ценности лекарственного и растительного сырья.

Высокое качество, стабильность продукта зависит от технического уровня сушки - степени автоматизации и механизации режимов процесса, совершенства сушильной аппаратуры.

Как любой другой процесс сушка имеет две стороны - свою статику и кинетику, поэтому правильно организованный процесс сушки позволяет сохранить или улучшить свойства материалов.

Статика сушки заключается в установлении связи между начальными и конечными параметрами участвующих в сушке веществ на основе уравнений материального и теплового балансов. Из статики определяют состав материала и расход тепла.

Кинетика сушки устанавливает связь между изменением влажности материала и параметрами процесса (свойства и структура материала, его размеры и т.д.). На основе уравнения кинетики получают характеристику процесса удаления влаги из материала во времени и определяют продолжительность и режим сушки [2].

Для расчета процесса сушки, создания рациональных конструкций нагревательных элементов и сушильных установок в целом, а также для подбора оптимальных режимов сушки с целью снижения энергозатрат и повышения качества конечного продукта необходимо совместное рассмотрение статики и кинетики сушильного процесса, а именно определение зависимости между расходом тепла и оптическими свойствами сырья, которые на-

Попов В.М., Афонькина В.А., Шукшина Е.И.

Сушка термолабильных культур в ИК-диапазоне с учетом оптических свойств продукта прямую связаны с продолжительностью технологического процесса.

Анализ существующих методик расчета мощности источников ИК-излучения, используемых в конструкции сушильных установок, показал, что в них нет совместного рассмотрения и согласования спектральных характеристик не только источника, но и приемника. Численные значения коэффициента преобразования электрической энергии в энергию инфракрасных лучей β предлагают принять в пределах 0,7–0,9 [3]. На наш взгляд такой подход позволяет ориентировочно определить мощность источника, что в вопросах энергосбережения не совсем корректно.

Коэффициент β дает информацию не только о собственном преобразовании электрической энергии в энергию оптического излучения (β 1 ), но и о восприятии этой энергии материалом сушки (β₂), которое в свою очередь является эффективным коэффициентом полезного действия (1):

Φ

β = эф , (1) 2Φ где Ф – падающий поток излучения от источника, Вт; Фэф – эффективный (воспринятый и полезно преобразованный сырьем) поток излучения, Вт.

Следовательно, принимая во внимание спек тральную чувствительность облучаемого сырья, а также оптические свойства источника ИК-излучения, можно эффективно управлять процессом поглощения ИК-излучения сырьем, уменьшая долю отразившегося и прошедшего сквозь сырье потока, тем самым увеличивая КПД установки и уменьшая энергозатраты при получении сухопро-дукта.

Взаимодействие излучения с веществом весьма сложно, что затрудняет теоретический анализ процесса сушки. Для аналитического описания процессов распространения и ослабления излучения в сырье необходимо знать его основные оптические характеристики, так как спектральный состав потока излучения влияет на оптические коэффициенты поглощения, отражения и пропускания из-за избирательной способности сырья воспринимать излучение различных длин волн.

С помощью ИК-Фурье спектрометра BRUKER Optics на базе Южно-Уральского государственного университета нами были получены зависимости коэффициента пропускания от длины волны для зеленных культур на примере укропа и петрушки с начальной влажностью 85 % в инфракрасной области спектра (рис. 1, 2).

Почти все продукты, в том числе и сельскохозяйственное растительное сырье, обладают четко выраженной селективностью к поглощению ИК-излучения в различных областях спектра [4]. Поэтому для практических целей в условиях корректного выбора оптимального инфракрасного излучателя и объема нагреваемого сырья необходимо пользоваться спектральными характеристиками, которые отражают взаимодействие продукта с лучистой энергией во всем используемом диапазоне длин волн, что нами и было сделано.

Основные пики полученных зависимостей (у укропа: 3,5; 6; 9 и 13 мкм; у петрушки: 3; 6; 9 и 12 мкм) характеризуют влагу, содержащуюся в укропе и петрушке, с различными формами связи, которые неодинаково отражаются на спектре пропускания сырья. Максимальным поглощение ИК-излучения водой данного сырья приходится на три

Рис. 1. Зависимость коэффициента пропускания укропа от длины волны в инфракрасной области спектра

Рис. 2. Зависимость коэффициента пропускания петрушки от длины волны в инфракрасной области спектра

Теплоэнергетика

Расчетные данные зависимости температуры нагревателя от длины волны

Длина волны λ, мкм Температура поверхности нагревателя Т, К Температура поверхности нагревателя t, °С 6 483 210 9 322 48 12 241 –30 13 222 –50 области 6; 9 и 12–13 мкм, все они одинаково хороши с точки зрения поглощения излучения водой, но не все они хороши с точки зрения получения качественного сухопродукта и уменьшения энер- гоемкости техпроцесса.

Так если воспользоваться соотношением Вина

[5], можно определить температуру поверхности излучателя во всех трех областях:

Л_тях = I мкм I , max _T

где Т – температура на поверхности источника излучения; λ max – длина волны.

Данные сведем в таблицу.

Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что для ИК-сушки термолабильного сельскохозяйственного и дикорастущего сырья подходит только одна область излучения с 9 мкм, так как температура в 210 °С вызовет глубокие биохимические изменения, которые скажутся не только на внешнем виде продукта, но и снизят пищевую ценность и содержание биологически активных веществ, а область 12–13 мкм – это уровень температур который соответствует другому виду сушки – сублимационному, который также не подходит для зеленных культур из-за разрыва тканей зеленой массы и невозможности использования такого продукта в лекарственных сборах.

Выводы

• 1.    Знание оптических характеристик продукта поможет определить диапазон длин волн, необходимый для получения сухопродукта высокого

• 2.    Знание необходимого для качественного ведения техпроцесса диапазона длин волн поможет согласовать его с оптическими характеристиками излучателя, подобрав оптимальную температуру его нагрева, тем самым минимизировав энергозатраты.

• 3.    Для сушки зеленнóй массы термолабильного сельскохозяйственного и дикорастущего сырья необходим нагреватель, способный на 9 мкм обладать высокой плотностью теплового потока.

качества с полным сохранением питательных и биологически активных веществ.