Теория

Вакуумная сублимационная сушка: Физические принципы

Процесс сублимационной сушки по своей природе представляет собой обезвоживание замороженного материала в результате перехода вещества (льда) из твердого в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Термин сублимационная сушка наиболее часто применяется в отечественной литературе и практике, однако, он не единственный. Этот процесс также определяют как «молекулярная сушка», исходя из характера движения пара в порах продукта и в сушильной камере. В медицине и биотехнологии его называют «лиофильная сушка», поскольку в итоге получаются лиофильные, т. е. легкорастворимые вещества. В зарубежной пищевой промышленности часто употребляют термин freeze — drying (англ).

Физические основы процесса сублимационной сушки наглядно иллюстрируются диаграммой равновесия фаз для воды в координатах давление пара – температура, рис. 1. На диаграмме состояния в месте пересечения пограничных кривых расположена тройная точка, в которой вода может существовать одновременно во всех трех фазах: лед – вода – пар. Тройной точке соответствует давление 4,58 мм . рт. ст. (611 Па) и температура 0,01°С. Если подводить теплоту к замороженному материалу при давлении ниже давления тройной точки, будет иметь место процесс сублимации (возгонки), вдоль линии а — б на рис. 1.

teor_3

Рис. 1. Диаграмма равновесия фаз для воды в координатах давления – температуры.

Вакуумная сушка происходит в герметически закрытом аппарате, и передача тепла конвекцией невелика. Поэтому, чтобы поддерживать значительную интенсивность сушки в вакууме, тепло, необходимое для испарения жидкости, подводится к сушимому материалу путем теплопроводности от нагретой поверхности (контактная сушка) или радиацией от нагретых экранов (сушка инфракрасными лучами). Таким образом, вакуумная сушка по способу подвода тепла к материалу является контактной сушкой или сушкой инфракрасными лучами в условиях вакуума.

Принципиальная схема кинетики сублимационной сушки приведена на рис. 2.

teor2

Рис. 2. Кривые кинетики процесса молекулярной сушки: t n – конечная температура предварительного замораживания; t с1 , t с2 – верхний и нижний допустимые уровни температуры материала на этапе сублимации; t 2 – максимально допустимая температура на этапе досушки; t , τ – соответственно, время сублимации и досушки.

По завершению этапа замораживания основная часть влаги в материале переходит в лед, но при этом часть связанной воды – обычно на уровне нескольких процентов, остается в переохлажденном жидком состоянии. Далее, после установления в пространстве сушильной камеры некоторого уровня вакуума, начинается первый период сушки. При этом температура высушиваемого материала почти неизменна по времени в течение первого периода сушки, она численно отвечает глубине вакуума по кривой равновесия. Зона сублимации продвигается в толщу материала, влагосодержание убывает. По завершении сублимации всей массы льда начинается второй период, этап вакуумной досушки. Температура материала быстро повышается до уровня температуры окружающей среды, происходит удаление связанной влаги. Рассмотренная схема является упрощенной и служит для объяснения основных закономерностей процесса. В реальных процессах углубление зоны сублимации неодинаково по скорости в различных точках материала, а испарение происходит во всем объеме в течение всего цикла обезвоживания.

teor1

Структура себестоимости

 

Разработано компанией ООО "Русские системы"