Влияние циклической температурной обработки кристаллизата на скорость роста кристаллов лактозы

При циклической температурной обработке двух проб, заключающейся в пятикратном нагревании и охлаждении кристаллизата подсырной молочной сыворотки, получены почти идентичные графики изменения температур, не смотря на то, что масса первой пробы в три раза меньше, чем второй.

Тем не менее, через 8 часов нагреваний и охлаждений каждой из проб в пределах от 5 до 90 °С наблюдается существенное преимущество в массе и, соответственно, в размерах кристаллов в первой пробе (меньшей массы) (рис. 2).

Если проанализировать график (рис. 1), то видно, что скорость охлаж-

Рисунок 1. Температурные режимы в пробах №1 (100 мл) и №2 (300 мл)

Рисунок 2. Изменение средней массы кристалла в опытах №1 и №2 в процессе эксперимента 5 и 6.

дения в 1, 3 и 4 циклах в первой пробе несколько выше, чем во второй, но отличие очень несущественное. Во 2 и 5 циклах скорость охлаждения первой пробы очень незначительно больше, чем второй. Тем не менее, через 8 часов нагреваний и охлаждений каждой из проб в пределах от 5 до 90 °С наблюдается, как уже отмечалось выше, существенное преимущество в массе и, соответствен- но, в размерах кристаллов в первой пробе. Отсюда можно сделать вывод, что важнейшим фактором интенсификации процесса кристаллизации при циклической температурной обработке является скорость нагревания и охлаждения кри-сталлизата.

Расчёты скорости охлаждения и скорости нагревания кристаллизата по циклам, проведенные на основании экс- периментальных данных (рис. 1) показали, что преимущество в скорости охлаждения и нагревания пробы №1 очевидно (рис. 3, 4). Если сравнивать отличие в скорости охлаждения, то оно незначительно и составляет всего 1,24 град/мин. То же можно сказать и о скорости нагревания. Различие в скоростях нагревания ещё меньше, и составляет 0,2 град/мин. Однако, если взять соотношение скоростей охлаждения проб, то оно составит 1,7:1. С этой точки зрения различие в скоростях охлаждения значительно.

Таким образом, можно сделать вывод, что различие в скоростях нагревания и охлаждения в циклах оказывают существенное влияние на скорость роста кристаллов. Поэтому этот вопрос требует дальнейшей существенной проработки.

В этой связи представляет интерес сравнение скорости роста кристаллов при циклическом охлаждении с теорети- ческими данными.

Если исходить модели роста кристалла, построенной на гипотезе «описанного объема» (рис. 4), предложенной Костюковым Е. М., то скорость роста кристалла лакто-

Рисунок 3. Скорость охлаждения в пробах №1, №2

Рисунок 4. Скорость нагревания в пробах №1, №2

зы можно определить по формуле [1]. где: d – диаметр шарообразной части-

цы, м;

ρк – плотность кристалла, кг/м3.

g – ускорение свободного падения, м/с2;

ρж – плотность жидкости, кг/м3;

μ – динамическая вязкость, Па∙с.

ΔС = Сп-Сн – пересыщение кристал-лизата;

Сп и Сн – концентрации пересыщенного и насыщенного растворов соответственно, кг/(м3 раствора).

k - коэффициент, учитывающий процент «прилипших» к кристаллу молекул. k=2,3∙10-6.

Для расчета экспериментальной скорости роста кристалла воспользуемся зависимостями ( рис. 5, 6).

Зависимости средних размеров кристалла образцов №1 и №2 от времени в сравнении с графиком изменения температуры представлены на рисунках 5 и 6.

Для определения пересыщения ΔС строились графики содержания сухих веществ в растворе и его растворимости от времени в процессе циклической температурной обработки.

Обращают на себя внимание ярко выраженные спады содержания сухих веществ в растворе, пересекающие линии растворимости в момент резкого возрастания температуры, особенно заметные в последних циклах. Эти спады говорят об интенсивной кристаллизации. Здесь имеет место такой парадоксальный факт, что наибольшая скорость превращения растворенной лактозы в кристаллическую происходит в области насыщения, причем это происходит при резком росте температуры раствора, или, что то же, росте растворимости. Безусловно, такой парадокс требует детального изучения и анализа. Парадокс заключается в том, что растворимость возрастает и здесь кристаллы должны

Рисунок 5. Зависимость среднего размера кристаллов образца №1 от времени с учетом изменения температуры.

Рисунок 6. Зависимость среднего размера кристаллов образца №2 от времени с учетом изменения температуры.

бы интенсивно растворяться, а они, напротив, интенсивно растут. Возможно, одной из причин является растворение мелких кристаллов, рост концентрации растворённого вещества и, как следствие интенсивный рост крупных кристаллов, скорость роста которых намного выше скорости роста мелких кристаллов.

Результаты расчётов скорости роста и растворения кристаллов при циклической температурной обработке представлены на рис 8.

Аномалии I и II приходятся на момент времени 300 и 370 минут, то есть именно в эти моменты происходит резкое увеличение средней массы кристалла и

Рисунок 7. Изменение содержания сухих веществ в растворе (ряд 2) и его растворимости (ряд 1) при циклической температурной обработке: I и II – «аномальные зоны».

Рисунок 8. Скорость роста кристаллов лактозы при циклических режимах охлаждения и нагревания кри-сталлизата.

его линейного размера, однако, теоретически, именно в эти моменты скорость роста кристалла падает.

Таким образом, резкие скачки изменения скорости роста и растворения кристаллов так же приходятся на период вблизи аномальных зон, где растёт растворимость, уменьшаются сухие вещества, то есть происходит интенсивная кристаллизация и одновременно увеличивается средний размер кристалла, масса кристалла растёт. Анализ и сопоставление экспериментальных и теоретических данных показывает, что, скорей всего, необходимо переосмысление теоретических представлений о механизме роста кристаллов лактозы.