Сушкой, или обезвоживанием, называется процесс удаления из продукта влаги, в результате пего в нем увеличивается относительное содержание сухих веществ. Чтобы удалить влагу (воду) из продукта, необходимо затратить энергию.
По энергетическим показателям можно выделить два основных принципа обезвоживания: удаление влаги из продукта без изменения ее агрегатного состояния, т. е. в виде жидкости, и удаление влаги с изменением ее агрегатного состояния, т. е. в виде пара.
Первый принцип обезвоживания может быть осуществлен механическими способами (отжимом, фильтрованием, отстаиванием, центрифугированием), смешиванием продуктов с различной влажностью или с влагопоглотителями.
Второй принцип сушки связан с затратой тепла на превращение поды в пар и отвод образующихся паров из сушильного аппарата в окружающую среду. Такая сушка называется тепловой.
Механическое обезвоживание продуктов является более дешевым способом, чем тепловая сушка. Однако для сушки овощей и плодов он не может быть применен, так как не обеспечивает достаточно полного обезвоживания и сохранения исходных показателей качества сырья вследствие значительных потерь водорастворимых веществ (сахаров, витаминов, аминокислот и др.).
По своей физической сущности сушка является сложным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии (перемещения) влаги из глубины высушиваемого продукта в окружающую среду. Удаление влаги при обезвоживании сводится к перемещению тепла и влаги внутри продукта и се переносу с поверхности в окружающую среду.
Различают естественную (па открытом воздухе) и искусственную тепловую сушку, осуществляемую в сушильных установках.
По способу подвода тепла к высушиваемому продукту различают следующие виды сушки: конвективную путем непосредственного соприкосновения высушиваемого продукта с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух; контактную — путем передачи тепла от теплоносителя к продукту через разделяющую их стенку; радиационную — путем передачи тепла инфракрасными лучами; сублимационную — сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме; диэлектрическую — нагреванием продукта в поле токов высокой или сверхвысокой частоты.
В производстве сушеных овощей, картофеля и фруктов наибольшее распространение получили первые четыре вида сушки.
Форма связи влаги с сухим веществом продукта. Продукты, или влажные материалы, подлежащие обезвоживанию, состоят из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Жидкая фаза — влага — более или менее прочно связана с твердой фазой (сухим веществом). Чем прочнее связь воды с твердым каркасом материала (сухим веществом), тем труднее ее удалять при сушке. При обезвоживании связь влаги с материалом нарушается.
По классификации акад. П. А. Ребиндера все формы связи влаги делятся на три большие группы: химическая связь, физико-химическая связь, физико-механическая связь.
Химически связанная влага наиболее прочно соединена с материалом в строго определенных соотношениях и может быть удалена только при нагревании продукта до высокой температуры (прокаливание) или в результате проведения химической реакции. Эта влага не может быть удалена из продукта при сушке. В процессе обезвоживания удаляется, как правило, только влага, связанная с материалом физико-химически и механически.
Наиболее легко может быть удалена механически связанная влага, которая в свою очередь подразделяется на влагу макрокапилляров (капилляры со средним радиусом больше 10-5 см) и микрокапилляров (капилляры со средним радиусом меньше 10-5 см). Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом, в то время как в микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окружающей среды.
Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся между собой прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную влагу. Первая прочно удерживается на поверхности и в порах продукта. Осмотически связанная вода, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток продукта.
Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания. Для удаления адсорбционно связанной влаги ее нужно превратить в пар, после чего она перемещается внутри материала в виде пара, для этого требуется затратить тепло.
Влага набухания большей частью перемещается внутри материала в виде жидкости путем диффузии через стенки клеток, т. е, таким же путем, как она проникла в продукт.
Капиллярная влага перемещается как в виде жидкости, так и в виде пара. В процессе сушки из высушиваемых овощей и фруктов в первую очередь выделяется капиллярная влага, испаряющаяся как с поверхности, так и изнутри капилляра. Эту часть влаги называют свободной влагой, так как испарение ее подчиняется закону испарения жидкости с открытой поверхности.
Более затруднительно происходит удаление из продукта влаги набухания и особенно адсорбционной.
Влажность и состояние продукта в процессе сушки изменяются. Влажность продукта может быть рассчитана по отношению к его общему количеству G или по отношению к количеству находящегося в нем абсолютно сухого вещества Gc, причем G = Gc + Gвл, где Gвл — количество содержащейся в продукте влаги, кг.
Влажность, отнесенную к общему количеству продукта (в %), находят по формуле W = (Gвл/G)∙100.
Влажность, отнесенную к количеству абсолютно сухого вещества (Wc в %), определяют по формуле Wc = (Gвл/Gс)∙100.
В сушильной технике влажность продукта обычно рассчитывается по отношению к массе абсолютно сухого продукта, которая в процессе сушки остается неизменной.
Влажность W и Wc связаны между собой зависимостью (в %) Wс = 100W/(100 — W), или W = 100 Wc/(100 : Wc).
Основные параметры влажного воздуха. Овощи, картофель и основные виды фруктов (яблоки, груши) сушат обычно в виде кусочков разной формы и размеров. Для этого используют конвективные сушилки. Сушилки эти атмосферные, так как сушка протекает в присутствии воздуха. Однако воздух является в данном случае не нейтральной средой, а активным участником процесса обезвоживания. Он выполняет одновременно три функции: теплоносителя, влагопоглотителя и влагоудалителя.
При конвективной сушке сушильный агент (воздух) передает продукту тепло, поглощает и уносит влагу, испаряющуюся из продукта за счет этого тепла. При прочих методах сушки находящийся в контакте с. продуктом воздух используется лишь для удаления испарившейся влаги, т. с. он выполняет роль влагопоглотителя. В качестве сушильного агента широко применяют нагретый воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива.
Для выбора наилучшего варианта процесса сушки и проведения теплового расчета сушильной установки важно знать свойства и характеристики состояния влажного воздуха и как они изменяются в сушилке.
Перед началом сушки сушильный агент (влажный воздух) является смесью сухого воздуха с паром. Б процессе сушки его влажность увеличивается, т. е, доля влаги, содержащаяся в смеси, при обезвоживании возрастает.
Влажный воздух характеризуется следующими основными параметрами: барометрическим давлением, парциальным давлением водяного пара, абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием, энтальпией (теплосодержанием) и др.
Барометрическое давление влажного воздуха (В) равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара, т. с. сумме давлений компонентов воздуха, В = ρс. в. + ρп, где ρс. в. — парциальное давление сухого воздуха; ρп — парциальное давление водяного пара.
Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха (в кг/м3). Абсолютная влажность равна удельной массе 1 м3 пара или плотности водяного пара ρв (в кг/м3) при температуре воздуха и парциальном давлении ρп.
Относительной влажностью, или степенью насыщении воздуха ср, называется отношение массы водяного пара n 1 м3 влажного воздуха при данных условиях, температуре и общем барометрическом давлении к максимально возможной массе подяного пара в 1 м3 воздуха, (плотность насыщенного пара) при тех же условиях.
Относительная влажность является одной из важнейших характеристик воздуха как сушильного агента и определяет его влагоемкость, т. е. способность воздуха к насыщению парами влаги.
При нагревании воздуха приблизительно до 100 °С давление насыщенного водяного пара возрастает и соответственно снижается относительная влажность воздуха, дальнейшее повышение температуры происходит при сохранении относительной влажности постоянной (φ = const). При охлаждении воздуха в процессе сушки, которое сопровождается поглощением влаги из продукта, давление насыщенного пара уменьшается, а степень насыщения влагой возрастает, в отдельных случаях вплоть до полного насыщения, когда φ=1; при этом температура воздуха достигает величины точки росы, воздух становится насыщенным и начинается конденсация пара.
В процессе сушки воздух увлажняется, охлаждается и соответственно изменяет спой объем. Поэтому использование в качестве параметра воздуха его абсолютной и относительной влажности усложняет расчеты. Более удобно относить влажность воздуха к единице массы абсолютно сухого воздуха (1 кг сухого воздуха) — величине, не изменяющейся в процессе сушки.
Влагосодержанием называется масса водяного пара, содержащегося во влажном воздухе, отнесенная к 1 кг абсолютно сухого воздуха. Этот параметр широко используется в расчетах сушильных установок.
Объем влажного воздуха определяют по объему его сухой части, не изменяющейся в процессе сушки (в м3/кг сухого воздуха).
Плотность влажного воздуха — величина, обратная удельному объему влажного воздуха, и равна сумме плотностей абсолютно сухого воздуха и водяного пар.
В процессе сушки воздух увлажняется и охлаждается. При снижении температуры плотность влажного воздуха при сушке увеличивается. При увлажнении воздуха содержание в нем водяного пара (обладающего меньшей молекулярной массой, чем сухой воздух) возрастает за счет снижения содержания сухого воздуха. Поэтому с увеличением влажности воздух становится легче. Снижение температуры оказывает относительно большее влияние на плотность сухого воздуха, поэтому в конечном итоге плотность влажного воздуха при сушке увеличивается, он становится тяжелее.
Энтальпия — теплосодержание (I, в Дж/кг сухого воздуха) влажного воздуха, относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре t (в °С) как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха и водяного пара.
Теплоемкость определяется количеством теплоты, необходимой для изменения температуры 1 ед. массы тела на 1 °С.
Средняя удельная теплоемкость влажного воздуха рассчитывается как средневзвешенная величина между теплоемкостью сухого газа и пара.
Измерение влажности воздуха является обязательным в сушильной технике, так как от влажности воздуха зависит скорость испарения влаги из продукта. Измерение влажности воздуха имеет большое значение для контроля и рационального ведения процесса обезвоживания. Для измерения влажности воздуха применяются различные способы и приборы.
Наибольшее распространение получил психрометрический способ определения, основанный на измерении разности между температурами сухого термометра (фактической температуры воздуха) и смоченного термометра (температуры испаряющейся воды).
Прибор для определения влажности воздуха (психрометр) состоит из двух термометров: обыкновенного (сухого) и смоченного. Шарик смоченного термометра обмотан тонкой тканью, опущенной в стаканчик с дистиллированной водой. Под действием капиллярных сил вода по ткани непрерывно поднимается к шарику термометра так, что поверхность его постоянно смачивается. На испарение воды затрачивается тепло, и смоченный термометр показывает более низкую температуру, чем сухой, т. е. температуру испаряющейся воды.
По разности показаний температуры сухого и мокрого термометров, пользуясь таблицами, находят влажность воздуха. Интенсивность испарения воды с мокрого термометра будет тем больше, чем меньше содержание водяных паров в окружающем воздухе, и тем больше будет разность в показаниях обоих термометров.
Следовательно, по показаниям психрометра можно определить влажность воздуха и скорость испарения влаги из продукта. Разность между температурой воздуха и температурой мокрого термометра характеризует способность воздуха поглощать влагу из материала. Эту разность температуры называют потенциалом сушки.
Взаимодействие влажного продукта с окружающей средой. Если сушеный продукт находится в контакте с влажным воздухом, то принципиально возможно два процесса: испарение влаги из продукта (десорбция) при парциальном давлении пара над поверхностью продукта (рм), превышающем его парциальное давление в воздухе рп; увлажнение продукта — поглощение пара из окружающего влажного воздуха (сорбция), т. е. когда рм меньше рп. Через некоторое время, когда парциальное давление пара над поверхностью продукта и парциальное давление водяного пара в воздухе станут равны, наступает состояние динамического равновесия.
Влажность продукта, соответствующая состоянию равновесия, называется равновесной влажностью Wp. При Wр температура продукта равна температуре окружающего воздуха. Равновесная влажность определяет способность продукта удерживать влагу.
По значениям равновесной влажности определяют форму связи влаги с материалом, условия хранения сушеных продуктов, вид тары для упаковки, сушильную возможность воздуха.
Удаление влаги из материала в процессе сушки происходит только до значения равновесного влагосодержания, соответствующего определенным параметрам сушильного агента. Равновесная влажность продукта зависит от влажности и температуры воздуха.
Максимальную влажность, которую может иметь продукт за счет сорбции пара из окружающей среды, называют гигроскопической влажностью. Чем больше гигроскопическая влажность продукта, тем больше влаги он поглотит при хранении. Взаимодействие влажного материала и влажного воздуха приводит к гигротермическому равновесному состоянию. Знать гигротермическое равновесное состояние необходимо для выбора оптимального режима сушки и хранения пищевых продуктов, а также для оценки движущей силы процесса. Чем ближе характеристика влажных продуктов и влажного воздуха к состоянию равновесия, тем медленнее будет протекать процесс сушки.
Свободной считается та часть влаги продукта, которая испаряется так же интенсивно, как испаряется вода со свободной поверхности. Количественно свободная влага составляет разность между начальным влагосодержанием продукта и количеством гигроскопической влаги в нем.
Основные закономерности процесса сушки. Процесс обезвоживания продуктов в сушилках с помощью циркулирующего нагретого воздуха представляет собой комплекс одновременно протекающих и влияющих друг на друга явлений. К ним относятся перенос тепла от нагретого воздуха к высушиваемому продукту через его поверхность (нагревание продукта), испарение влаги, перенос влаги с поверхности продукта в среду сушильной камеры, перенос влаги внутри продукта.
Особенность переноса тепла при сушке состоит в том, что здесь он осложняется переносом влаги. При испарении влаги с поверхности какого-либо продукта возникает перепад (градиент) влагосодержания между его наружным и внутренними слоями, что и обеспечивает дальнейшее перемещение влаги из внутренних, более влажных участков к его поверхности, имеющей меньшую влажность. При сушке благодаря перепаду влагосодержания происходит непрерывное уменьшение влажности во всем объеме материала. Явление переноса влаги в материале носит названые влагопроводности.
На перемещение влаги внутри продукта также оказывает влияние перепад температуры. На поверхности продукта она больше, чем в центральных слоях. Под влиянием температурного перепада часть влаги будет переметаться от поверхности к внутренним слоям материала.
Явление переноса влаги внутри материала под влиянием перепада температуры носит название термовлагопроводности.
Перемещение влаги внутри материала под влиянием перепада температуры при определенных условиях замедляет или ускоряет процесс сушки. При низкотемпературной сушке или обезвоживании относительно тонко нарезанных кусочков продукта термодиффузии (процесс, обусловленный разностью температур) не имеет существенного значения, но при высокотемпературной сушке она оказывает существенное влияние на процесс, уменьшая его интенсивность. Для того чтобы уменьшить влияние термодиффузии, применяют прерывный режим сушки с попеременной подачей к продукту нагретого или холодного воздуха. В результате этого процесс обезвоживания ускоряется.
Процесс сушки протекает со скоростью, зависящей от формы связи влаги с сухим веществом продукта и механизма перемещения в нем влаги.
Если образец продукта поместить в сушильную камеру, через которую продувается предварительно подогретый воздух, то продукт начнет тоже нагреваться. Вначале, когда начинают прогреваться только наружные слои образца, пода из этих слоев начнет испаряться и в виде пара уходить в воздух. В период подогрела влажность продукта изменяется незначительно. Затем следует период настоянной скорости сушки, называемый первым периодом сушки. Этот период характеризуется постоянной скоростью уменьшения влажности (за равные промежутки времени удаляется одинаковое количество влаги) и температуры продукта (равняется температуре мокрого термометра нагретого воздуха). В этот период сушки давление пара над продуктом будет постоянным и равным давлению насыщенного пара при температуре мокрого термометра. В первый период сушки происходит интенсивное поверхностное испарение свободной влаги. Первый период продолжается до наступления критической влажности, т. е. влажности момента между периодом постоянной и падающей скоростями сушки.
В период постоянной скорости сушки интенсивность процесса определяется только параметрами сушильного агента и не зависит от влажности и физико-химических свойств продукта. Продолжительность периода постоянной скорости сушки увеличивается с повышением температуры, потенциала сушки сушильного агента, так как при этом уменьшается значение критической влажности продуктов.
В период падающей скорости сушки, называемой вторым периодом, скорость обезвоживания уменьшается по мере уменьшения влажности продукта; температура его постепенно увеличивается, приближаясь к температуре сушильного агента. Процесс сушки продолжается до достижения продуктом равновесной влажности, соответствующей параметрам воздуха в сушилке, и обезвоживание прекращается.
Процесс сушки происходит правильно, если скорость испарения влаги с поверхности продукта равна скорости перемещения влаги из глубинных слоев. При быстром испарении на поверхности появляется корка, препятствующая выделению влаги, что снижает скорость сушки; при медленном испарении продукт запаривается.
Скорость сушки зависит от ряда факторов. Чем больше скорость движения воздуха в сушилке, тем скорее он уносит испарившуюся влагу, препятствуя повышению парциального давления водяного пара. Скорость испарении тем больше, чем выше температура воздуха в сушилке. Интенсивность испарения влаги зависит так же и от физико-химических свойств материала, от размера кусков и их формы (чем больше поверхность кусочков, тем быстрее идет процесс сушки), от интенсивности перемешивания, способа укладки и высоты слоя продукта.
Применение чрезмерно высокой температуры воздуха при сушке недопустимо, так как это может вызвать ухудшение вкуса, запаха, цвета и химического состава продукта. Поэтому для каждого вида сырья разрабатывается оптимальный режим сушки, обеспечивающий наибольшую производительность установки при хорошем качестве сушеного продукта.
Оптимальный режим сушки — это такой, при котором обеспечивается получение сушеного продукта, наиболее полно восстанавливающего при кулинарной обработке свои исходные качества и химический состав сырья, достижение наилучшей сохраняемости готового продукта, удаление влаги из сырья при наименьших затратах топлива, электроэнергии и труда, полное использование сушильной поверхности, и достигается максимальная производительность установки.
Основными параметрами режима сушки являются температура, относительная влажность и скорость движения воздуха.
При обезвоживании плодоовощного сырья высокая температура воздуха (100 °С и выше) в начале сушки не создаст опасности перегрева продукта, так как его температура на этой стадии соответствует температуре мокрого термометра. Температура воздуха в конце сушки овощей и фруктов должна быть 55—65 °С.
Чем ниже относительная влажность воздуха, тем больше он поглотит влаги из продукта и тем быстрее будет происходить сушка. Однако сушка при слишком низкой относительной влажности воздуха связана с излишним расходом тепла (топлива), а следовательно, и удорожанием процесса обезвоживания. При конвективной сушке овощей, картофеля и фруктов относительная влажность отработавшего воздуха не должна превышать 40—45 % или быть ниже этих величин.
Поток воздуха, движущийся в сушильной установке, способствует лучшему перемешиванию (конвекции) его с испаренной влагой и удалению увлажненного воздуха из сушилки. Без движения воздуха сушка немыслима. Скорость воздуха зависит от того, сколько его поступает в сушилку в единицу времени, от сечения канала сушилки, от внутренних сопротивлений, создаваемых лентами, ситами, высушиваемыми продуктами, и др.
В сушилках туннельного типа скорость воздуха составляет 2—3 м/с, в паровых конвейерных — 0,2—0,5 м/с (в зависимости от зоны по вертикали).
Кроме параметров воздуха режим сушки определяют и другие факторы, влияющие на процесс обезвоживания. Например, удельная нагрузка сырья на сушильную поверхность (в кг на 1 м2) зависит от вида сырья, его химических свойств, начальной и конечной влажности, а также от формы и размеров кусочков. Она определяет толщину слоя продукта на лентах или ситах. От толщины слоя зависят степень уплотнения продукта при сушке, удельная поверхность испарения, скорость сушки и качество сушеного продукта.
Сушка овощей, картофеля и фруктов тонким слоем в начале процесса и более толстым в конце создаст благоприятные условия для получения сушеного продукта высокого качества и эффективного использования сушильной установки. Скорость лент (в сушилках конвейерного типа), количество вагонеток с ситами (в туннельных сушилках), количество сит (в шкафных сушилках) определяют (в совокупности с другими параметрами) длительность пребывания продукта в сушилке, конечную его влажность и производительность установки.
Источник: З.А. Кац. Производство сушеных овощей, картофеля и фруктов. Изд. 2-е, перераб. и доп. «Легкая и пищевая промышленность». Москва. 1984