Сублимированная сушка

Примеры лиофилизированных продуктов включают антибиотики, бактерии, сыворотки, вакцины, препараты для диагностирования, продукты с содержанием белка и биотехнологические продукты, клетки, ткани и химические вещества. Продукт, который должен быть высушен, замораживается при атмосферном давлении. Затем на первоначальном этапе сушки называемом первичная сушка происходит удаление воды (льда) сублимацией; а на втором этапе вторичная сушка вода (лед) удаляется десорбцией. Сублимационная сушка выполняется в условиях вакуума.

Условия, при которых происходит процесс, определяют качество лиофилизированного продукта. Во время процесса сублимационной сушки необходимо учитывать следующие аспекты:

Замораживание: преобразование основного продукта посредством отвода тепла для создания состояния, подходящего для сублимационной сушки. При охлаждении водяного продукта происходит образование кристаллических ядер.


ружающая вода поглощается в центрах кристаллизации, что приводит к образованию кристаллов разных размеров и формы. Скорость заморозки, состав основного продукта, содержание влаги, вязкость жидкости и наличие некристаллизующегося вещества — все эти факторы определяют форму и размер кристаллов и влияют на последующий процесс сублимации. Крупные кристаллы образую относительно открытую решетку после сублимации, а мелкие кристаллы льда занимают небольшое пространство в высушенном продукте, замедляя удаление водяных паров.

Точка замерзания чистой воды — 0 °C. Если в воде растворены другие вещества, точка замерзания будет ниже. Если присутствуют неорганические соли, тока замерзания будет значительно ниже. Если заморожен неконцентрированный раствор, на первом этапе будет отделен лед без примесей, в результате чего повысится концентрация растворенного вещества в остаточном растворе (с дополнительным снижением точки замерзания). Влияние концентрации продукта всегда различается, и его необходимо учитывать при выборе наиболее подходящей технологии замораживания.

Наиболее подходящая технология замораживания конкретного продукта и ее параметры должны быть определены до сублимационной сушки. Параметры замораживания продукта могут быть определены методом измерения сопротивления. Для фармацевтической продукции используются два разных метода заморозки: заморозка в контакте с охлажденной поверхностью и динамическая заморозка/заморозка вращением в охлаждающей ванне.


Первый метод — это технология статичной заморозки, в которой универсальная сублимационная сушилка должна обладать функционалом регулировки интенсивности заморозки, в зависимости от конкретного продукта и контроля скорости заморозки. Конечной температуры -50 °C в большинстве случаев достаточно для выполнения большинства требований. Второй метод используется, если необходимо заморозить большие количества жидкой продукции и высушить в колбах или больших бутылках. В результате использования правильной технологии заморозки будет получен замороженный продукт, подходящий для сублимации, т.е. однородный и максимально тонкий для сокращения времени сушки.

Источник: www.gea.com

ПИЩЕВЫЕ КОНЦЕНТРАТЫ

Метод сублимационной сушки пищевых про­дуктов основан на способности льда при определенных условиях испаряться, минуя жидкую фазу, т. е. возгоняться.

Чтобы понять сущность этого метода, рассмотрим изменение состояния воды на диаграмме давление — температура (р—Т).

На рис. 13 показано состояние воды в зависимости от давле­ния и температуры.

По левую сторону линии ВАС лежит область. твердой фазы (льда), а сама линия ВАС является границей, которая разде­ляет на участке А С твердую фазу (лед) и жидкую фазу (воду) и на участке В А твердую фазу и фазу газа (пара). По левую сторону от линии ВАС всегда будет находиться лед, по правую сторону — до точки А, соответствующей давлению 613,2 Па, во­да, а ниже точки А — пар.


Таким образом, если при давлении выше точки А (613,2 Па) подводить тепло ко льду, то он должен сначала превратиться в воду, а при дальнейшем подводе тепла вода начинает испарять­ся, переходя в газообразную фазу (пар).

Если давление ниже точки А, то, как видно из диаграммы, лед при подводе тепла может перейти только в газообразное со­стояние (пар), минуя состояние жидкости.

Точка А, так называемая тройная точка, характеризует со­стояние веществ, при котором возможно существование всех трех его фаз одновременно (твердое тело — жидкость — газ или при­менительно к воде: лед — вода — пар). Выше этой точки сущест­вуют в зависимости от температуры все три фазы, причем опре­деленным температурам со-

Р. П2

Ответствует определенная фаза. Ниже точки А воз­можно только два состоя­ния вещества (воды) —твер­дое и газообразное.

Сущность сублимацион­ной сушки и заключается в возгонке льда (воды, пре­вратившейся в кристаллы льда) при давлении паров окружающей среды ниже тройной точки (точки А).

Такая возгонка льда не­посредственно в пар спо­собствует сохранению фор­мы высушиваемого про-

Дукта. Усадки его, что наблюдается при тепловой сушке, не происходит, и продукт после сушки сохраняет свои линейные размеры.


При оводнении такого продукта вода быстро заполняет поры, откуда во время сушки был сублимирован лед, и продукт быстро восстанавливается. Высушенные методом сублимации продукты сохраняют свои исходные качества, экстрактив-ные вещества, ферменты н витамины. По вкусовым качествам восстановлен­ные продукты мало отличаются от продуктов, не подвергавшихся сушке.

Сохранение ферментов и других биологически активных ве­ществ в продуктах, высушенных .методом сублимации, имеет свою теневую сторону. Даже при незначительном содержании воды в высушенных продуктах при хранении наблюдаются реак­ции ферментативного характера, что сказывается на изменении качества продукта. Однако эти реакции вследствие низкой влаж­ности идут очень медленно, и практически многие продукты, вы­сушенные методом сублимации, можно хранить в течение 6 и бо­лее месяцев.

Сушка сублимационным методом при современном состоянии техники обходится дороже тепловой, поэтому сублимации целе­сообразно подвергать те продукты, которые невозможно без яв­ной потери качества высушить методом тепловой сушки. К та­ким продуктам относится, например, творог, при сушке которого тепловым способом получают явно негодный продукт, или мясо кусочками, которые также невозможно получить тепловой суш­кой без потери качества. Методом сублимации целесообразно су­шить целые плоды и ягоды.

Сушку этим методом осуществляют в специальном аппара­те—сублиматоре, представляющем собой герметически закры­ваемый сосуд, в котором расположены полки с помещаемым на них продуктом, к полкам с помощью различных устройств под­водится тепло.


Сублиматор соединен широкой трубой с другим сосудом — десублиматором, где за счет добавочного охлаждения пары суб­лимированного льда опять превращаются в лед, намораживаясь на охлаждаемые поверхности (трубы).

В системе сублиматор — десублиматор специальными ва — куум-насосами поддерживают глубокий вакуум. Сушку в такой системе (рис. 14) осуществляют следующим образом. Подготов­ленный продукт раскладывают на лотки и замораживают в ско­роморозильном аппарате; затем лотки с продуктом помещают в сублиматор, который герметически закрывают.

Если на предприятии нет скороморозильного аппарата, лот­ки с продуктом можно без предварительного замораживания размещать в сублиматоре. В этом случае при создании глубокого вакуума продукт в результате испарения влаги замерзнет, про­изойдет так называемое самозамораживание.

Основы сушки сублимацией

Рис. 14. Установка для сушки методом сублимации: / — сублиматор; 2 — десублиматор; 3 — система вакуум-насосов.

Герметически закрыв сублиматор, системой вакуум-насосов создают в нем разрежение (остаточное давление в сублиматоре должно быть 13,3—66,7 Па), и только при достижении вакуума к продукту с помощью нагревательных элементов подводят теп — — ло.


разующийся в результате возгонки льда пар поступает в десублиматор, где намораживается на трубы, охлаждаемые спе­циальным хладагентом (чаще всего аммиаком). В это время тем­пература продукта находится в пределах от минус 10 до минус 20°С. Такая сушка продолжается 8—10 ч (в зависимости от про­дукта), затем температура повышается и удаление остаточной влаги происходит при плюсовых температурах.

Полное время сушки равно 11—12 ч (мясо). Конечная влаж­ность продукта должна быть 4—5%. Таким образом, сушка про­дукта на сублимационной установке может быть разбита на три периода. Первый период — самозамораживание продукта, когда он теряет в зависимости от условий и структуры первоначаль­ную, легко отдаваемую влагу (3—4%). Второй период—сушка продукта в замороженном состоянии— период сублимации (лио — филизация), за это время из продукта удаляется до 80% влаги. Последний, третий, период — это тепловая сушка, осуществляе­мая при плюсовых температурах. Для получения доброкаче­ственного продукта очень важно, чтобы период тепловой сушки наступил как можно позже и продолжался как можно меньше и чтобы плюсовые температуры не повышались до пределов, при которых разрушались бы биологически активные вещества (ви­тамины, ферменты и пр.) и происходила бы возгонка ароматиче­ских веществ.


Конструкция сублимационной установки должна обеспечи­вать не только нормальное течение собственно сублимации, но и условия, необходимые для правильного проведения третьего пе­риода сушки, при этом решающее значение имеет способ подвода к продукту тепла.

В настоящее время в сублимационных установках применяют три основных способа подвода тепла. Первый способ состоит в использовании пустотелых плит, которые могут предельно близ­ко приближаться к продукту. Теплоносителем для нагрева плит служит горячая вода, этиленгликоль и любая другая инертная жидкость, обладающая большой теплоемкостью и теплоотдачей. Второй способ заключается в применении для нагрева продукта так называемых тэнов — нагревателей в виде пластин различных размеров, обогреваемых электроэнергией, пропускаемой через проволоку большого сопротивления. Третий способ подвода теп­ла— применение кварцевых ламп инфракрасного излучения.

Промышленное значение пока имеет первый способ, он по­зволяет подводить тепло к продукту как радиационно, так и контактно.

Вопрос подвода тепла, казалось бы такой простой в условиях атмосферной сушки, при сублимации становится очень сложным, так как законы тепло — и масеообмена, хорошо изученные при теп­ловых методах сушки, не относятся к сушке в условиях глубокого вакуума. К высушиваемому продукту должно подводиться такое количество тепла, которое обеспечивало бы компенсацию тепло­ты, теряемой продуктом вследствие превращения льда в пар.


Излишне подведенное тепло может вызвать преждевременное оттаивание продукта, что крайне нежелательно, так как приве­дет к порче его.

Недостаточное количество тепла, подводимое к продукту во время сушки, замедлит скорость сушки и в некоторых случаях может привести к ее остановке. В процессе сублимации, по мере высыхания внешнего слоя продукта, подвод тепла к зоне льда за­трудняется, в связи с чем необходимо в этот момент усилить тем­пературу генератора тепла. Однако здесь надо иметь в виду, что чрезмерное повышение температуры источников нагрева может привести к перегреву уже высохших внешних слоев продукта и даже к их подгоранию.

Таким образом, подвод тепла в зону сублимации сквозь уже высушенный продукт снижает скорость сушки. Из сказанного ясно, что для интенсификации процесса сублимации существен­ное значение имеет метод подвода тепла к высушиваемому про­дукту.

Как указывалось, наиболее распространен кондуктивный ме­тод подвода тепла с помощью пустотелых плит, прижимаемых к продукту, разложенному на противнях и накрытому сетками для возможности эвакуации образующегося пара.

Несмотря на предельное приближение плит к противню и к сетке, всегда может быть неплотное прилегание плиты к против­ню и противня к продукту. В этих неплотностях образующаяся разреженная среда (в вакуум-системе) представляет сопротивле­ние теплопроводности. Кроме того, подвод тепла только к внеш­нему слою высушиваемого продукта и при постепенном его вы­сыхании— через высохший слой к внутренней зоне сублимации, заставляет ограничивать толщину высушиваемого продукта и температуру теплоносителя в полках (50—70°С).


Перспективным следует считать нагрев с помощью инфра­красного излучения. Это излучение способно проникать в высу­шиваемый материал на различную глубину, что может обеспе­чить подвод тепла равномерно по всей глубине зоны сублимации и исключит перегрев поверхности продукта. При таком способе подвода тепла исключается необходимость плотного прилегания источников энергии к высушиваемому материалу.

Источником инфракрасного излучения могут быть различные плиты, нагреваемые каким-либо теплоносителем, или тэны (тем­ные излучатели), или различные ламповые излучатели (светлые излучатели).

При выборе инфракрасного излучения следует иметь в виду большую инерционность некоторых из них (например, тэнов), что не дает возможности достаточно точно регулировать подвод тепла.

В ближайшем будущем радиационный подвод тепла с по­мощью различных теплоизлучателей при сублимационной суш­ке получит широкое применение благодаря равномерности на­грева высушиваемого материала, надежности в работе, возмож­ности применения излучателей с малой тепловой энергией.

Существенным моментом при осуществлении сублимационной сушки является удаление из сублиматора образующегося пара.

Наиболее простой способ удаления, применяемый при ва­куумном выпаривании, — откачка паров вакуум-насосами — здесь явно непригоден, так как при давлении среды 66,5 Па, при котором ведется сублимация льда, объем образующегося пара в 10 000 000 раз больше объема льда, и нужно строить мощней­шие пароэжекторные насосы, требующие для работы пар давле­нием до 1 МПа. При работе таких насосов расходуется до 10 кг пара и 800 кг воды на 1 кг испаренной влаги.


Удаление влаги с помощью абсорбентов также имеет ряд су­щественных недостатков: необходимость регенерации сорбента, повышение давления водяного пара над поверхностью поглоще­ния и др. В связи с этим указанный метод не имеет промышлен­ного значения.

Самый распространенный способ удаления пара в процессе сублимации — его десублимация на охлаждаемых поверхностях (трубах).

Десублиматор (или конденсатор-вымораживатель) распола­гается между сублиматором и системой вакуум-насосов. Паро­воздушная смесь, проходя через десублиматор, оставляет влагу, намороженной в виде льда на охлаждаемые до минус 40°С по­верхности, и в вакуум-насос поступает только ничтожная часть неконденсирующихся газов.

В настоящее время разработано множество конструкций кон­денсаторов, однако систематизации их по эффективности дей —

Ствия не проводилось. Сложность создания эффективно дей­ствующих десублиматоров заключается в том, что пары влаги, минуя жидкую фазу, непосредственно осаждаются в виде льда (твердой фазы), вследствие чего лед неравномерно распределя­ется по поверхности конденсатора. Кроме того, этот процесс идет неравномерно по времени и постепенно затухает. Существенную роль играют размеры и форма самих десублиматоров и располо­жение в них охлаждаемых поверхностей.

К недостаткам конденсаторов-еымораживагелей относится необходимость периодического освобождения намораживающих поверхностей ото льда, что обусловливает периодичность их ра­боты.

Оттаивание льда производится при остановке работы субли­мационной установки, заливкой десублиматора горячей водой, которую затем направляют в канализацию, или подачей в трубы охлаждаемой поверхности вместо хладагента какого-либо тепло­носителя. Последний способ требует большего времени.

При десублимации пара в лед выделяется теплота, равная теплоте испарения воды и теплоте льдообразования. При темпе­ратуре минус 20°С, при которой обычно ведется процесс субли­мации, теплота десублимации пара равна 2881 Дж/кг. Эта теп­лота отводится из десублиматора с помощью хладагента (обыч­но аммиака или фреона).

Теория десублимации пара в достаточной мере не разработа­на, в ней неясны вопросы движения пара вблизи от охлаждаю­щей поверхности и продолжительности формирования льда, тем более, что эти процессы протекают при параметрах, лежащих ни­же тройной точки.

Источник: msd.com.ua

Благодаря тому, что лёд может испаряться, минуя жидкую фазу, стало возможным применять сублимационную сушку продукции. Для проведения такого процесса как возгонка льда необходимо создать определённые условия. Чем же консервирование продуктов с помощью сублимационной сушки лучше, чем другие способы переработки? Во-первых, после обработки для хранения не требуется отрицательной температуры. Вполне достаточно комнатной. Во-вторых, Значительная часть влаги испаряется, а, следовательно, снижается масса продукта, что упрощает его транспортировку. В-третьих, сильно увеличивается срок хранения, а значит, продукт легче реализовывать. И наконец, в-четвертых, пищевые качества продукта практически не снижаются.

Что нужно для осуществления сублимационной сушки продукции? Необходимо соблюдение двух условий:
1. Большая часть влаги (свободная влага) должна содержаться в продукте в виде льда и доля её в общем объёме влаги должна быть не менее 70%.
2. Должна поддерживаться необходимая для нормального протекания процесса возгонки льда разность парциальных давлений между парами воды над поверхностью продукта и парами в сушильной камере.

Сублимационная сушка продукции
Как показано на рисунке главным условием сублимационной сушки является уровень давления ниже значения в тройной точке. Такое условие обеспечивает переход льда в пар без участия жидкой фазы. Далее пар конденсируют на специальных испарителях.

При сушке продукт нагревается, а затем отдаёт тепло, когда испаряется лёд. Значит, для компенсации этой потери и поддержания необходимой температуры нужно постоянно подводить тепловую энергию. Постепенно граница парообразования смещается от поверхности продукта вглубь. Это осложняет эффективный подвод тепла. Высохшие слои продукта за счёт низкой теплопроводности затрудняют как подведение тепла к зоне сушки, так и удаление влаги из продукта.

Современные технологии сублимационной сушки позволяют перерабатывать различные категории продуктов. Остановимся на них подробнее.

Сублимационная сушка продукции
Мясо и мясопродукты
, к которым относятся говядина, свинина, баранина, мясо птицы. Они подвергаются обработке как в сыром виде, так и варёном, а также любом другом.

Сублимационная сушка продукции
Из молочной продукции сублимационной сушке подвергают творог, молоко (в том числе сушат кобылье молоко) и многие другие продукты.

Сублимационная сушка продукции
Яичный белок, желток и прочие яйцепродукты.

 

Сублимационная сушка продукции
Практически все виды овощей: картофель, свекла, морковь, капуста, горох, петрушка, грибы, лук, кабачки. Всё это может быть как в сыром виде, так и в варёном.

Сублимационная сушка продукции
Немалую долю продуктов для сублимационной сушки составляют фрукты и ягоды: клубника, яблоки, малина, абрикосы, сливы, персики, бананы, а также различные пюре и соки. Сюда же можно отнести и растворимые кофе и чай, пряности.

Кратко технология сублимационной обработки продуктов выглядит так:
1. Предварительная обработка продукта.
2. Заморозка.
3. Сублимационная сушка.
4. Упаковка готового продукта.

На пищевые качества получаемого после сушки продукта оказывают влияние такие факторы как биохимическое, структурно-механическое и физико-химическое состояние исходного сырья. Также не малую роль играет и процесс упаковки готовой продукции.

Технология сушки и хранения во многом зависят от конечного состава продукта, т.е. от тех веществ, которые в него входят. Например на окончательном периоде сушки, когда влагосодержание весьма мало, продукты с животным белком нельзя перегревать дабы не вызвать денатурацию белка. Хранение должно предусматривать надёжную изоляцию высушенного продукта от воздуха. Иначе могут окислиться жиры и витамины. Также необходимо учитывать долю редуцирующих веществ. Исходя из этого, определяется степень сушки, т.е. необходимое количество удаляемой влаги для того чтобы не допустить сахароаминных реакций в готовом продукте. Подготовка сырья перед сублимационной сушкой должна обеспечивать определённый бактериальный порог продуктов.

Какие меры нужно предпринимать в процессе выбора сырья и его предварительной подготовки для получения сухого продукта необходимого качества?

1. Несомненно, что нужен продукт с отличными пищевыми качествами и органолептическими показателями.
2. Необходимо оценить какое количество исходных веществ, таких как белки, витамины, липиды и прочее, будет сохранено в процессе заморозки и сушки, а также останется при хранении.
3. Для сублимационной сушки нужно выбирать продукты, размер и форма которых лучше всего соответствуют технологическому процессу.
4. Липиды продукта должны как можно меньше окисляться.
5. На продукте перед заморозкой и сушкой должно находиться минимальное количество бактерий.

Чаще всего предварительная обработка продуктов заключается в тепловой обработке и последующем измельчении (например, нарезке).

От того с какой скоростью будет проведена заморозка сырья зависит качество готового продукта. Чем выше скорость замораживания, тем лучше сохранится биологическая ценность продукта.

Заморозка может проводиться как в специальных камерах, так и сразу в сублиматоре. Последняя выполняется за счёт создания вакуума и частичного испарения свободной влаги из продукта. Конечно такой метод проще, чем предварительная заморозка, но подходит не всем продуктам. Дело в том, что при заморозке в вакууме сильно страдают первоначальные физико-химические и структурные свойства. Поэтому такие продукты как сырое мясо и рыба, часть фруктов и ягод, соков и пюре таким способом не замораживают.

Такие продукты как молоко, чай, соки замораживают в пастообразном состоянии. При этом их измельчают в замороженном виде. Для этого часто применяют такой эффективный метод как распыление. Замороженный продукт образует гранулы, которые потом распределяются тонким слоем и высушиваются.

Следует учесть некоторые особенности технологического процесса сублимационной сушки. Например, при предварительной заморозке продуктов в специальных камерах нельзя допускать оттаивания перед помещением в сушильную камеру.

Обычно из продукта при сублимационной сушке удаляется от 75 до 90% влаги. Досушивание продукта происходит при положительных температурах. На обоих этапах значения допустимых температур регламентируются технологическим процессом, основанным на свойствах продукта и времени сушки. Для каждого вида продукции необходима своя температура сублимации. В основном от -10 до -30ºС. Для овощей температура сублимации составляет -10ºС. Для соков ягод и фруктов нужна более низкая температура: -20…-30ºC, так как в них содержится много сахара. Для продуктов животного происхождения необходимо -15…-20ºС в зоне сублимации. Не выше. На стадии сублимации удаляется около 40…50% влаги и тратится 50…60% времени от всего технологического процесса сушки.

Далее следует этап сушки продукта относительно высокой температурой. При этом удаляется остаточная (связанная влага). Чтобы сохранить высокое качество продукта эта температура должна строго соответствовать технологическому процессу. Также важно время воздействия на продукт. Как и на этапе сублимации должна соблюдаться своя температура сушки для каждого вида продукции. Сочетание продолжительности сушки и температуры зависит от технологического процесса и может варьироваться в определённых пределах. Это делается для обеспечения минимального времени сушки при приемлемых показателях качества продукции. Разброс температур на этапе досушивания лежит в пределах от +40 до +80ºC. Продолжительность периода удаления остаточной влаги примерно 30…40% от общего времени. Удаляется от 20 до 30% влаги от её начального количества.

Достоинством сублимационной сушки является то, что продукты после такой обработки не сильно отличаются по органолептическим и физико-химическим показателям. Перевариваемость и усвояемость так же сохраняется на необходимом уровне. Содержание полиненасыщенных жирных кислот и аминокислот, витаминов и минеральных веществ остаётся на довольно высоком уровне. Вкус и аромат продуктов сохраняется отлично. Из-за того что после сублимационной сушки продукты приобретают пористую структуру, они обладают хорошей абсорбцией. В начале хранения продукты интенсивно поглощают кислород. В результате происходит окисление, и пищевые показатели продукции снижаются.

Кроме кислорода продукты адсорбируют влагу. Это также снижает их качество. Для снижения адсорбции продукты перед упаковыванием спрессовывают. При этом должен быть исключён доступ кислорода. Такая подготовка продукции перед упаковыванием повышает эффективность транспортировки за счёт уменьшения объёма.

Не допускается хранение продуктов без герметичной упаковки. Её нужно провести сразу после досушивания. Назначение упаковки заключается в предотвращении доступа кислорода к продукту, защите от воздействия солнечных лучей и механических повреждений, препятствию адсорбции влаги и посторонних запахов. В основном применяется упаковка из полимерных материалов. Часто в качестве основы используют алюминиевую фольгу и на неё накладывают полимерную плёнку. Её достоинства заключаются в хороших эксплуатационных показателях, малом весе и прочности, небольшая стоимость и отличный внешний вид. Как уже говорилось, упаковка продукции должна проводиться сразу после сушки при отсутствии доступа кислорода и влаги.

Попавший в упаковку кислород удаляют физическими, химическими и биологическими методами. Один из физических методов заключается в следующем. Проводят однократное вакуумирование упаковки и вводят в неё азот. Из химических методов применяют удаление кислорода при взаимодействии его с водородом под действием катализатора (палладий). Другим вариантом является упаковка продукции в специальных герметичных камерах, заполненных инертным газом.

Сублимационная сушка продукции, конечно же, оказывает определённое воздействие. Вследствие этого свойства и качество продукта немного изменяются. Однако другие методы консервирования приводят к большим изменениям свойств исходного сырья.

Источник: www.ProSushka.ru