Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Перспективы совершенствования тепломассообменных процессов при производстве препарата «бифидумбактерин» 9
1.1 Проблемы экологии человека 9
1.2 Области использования препарата «Бифидумбактерип» с учетом биологических и физиологических свойств 12
1.3 Выбор перспективного способа обезвоживания и конструкторских решений для его осуществления 12
1.4 Исследование возможности применения метода вакуумной пеносушки для обезвоживания микроорганизмов нормофлоры 28
1.5 Цель, задачи и структура исследования 30
Глава 2 Исследование термодинамики взаимодействия препарата «бифидумбактерин» с водой на основе изучения его физико-химических характеристик 33
2.1 Исследование механизма взаимодействия препарата с водой на основе анализа экспериментальных изотерм сорбции 33
2.2 Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии препарата с водой 37
2.3 Исследование структурно- механических и теплофизических параметров препарата 42
2.4 Исследование терморадиационных и оптических характеристик препарата 53
Глава 3 Исследование механизма внутреннего тепломассопереноса на основе анализа экспериментальных данных обезвоживания препарата методом вакуумной пеносушки 62
3.1 Экспериментальное изучение процесса обезвоживания препарата «Бифидумбактерин» 62
3.2 Исследование процесса тепломассопереноса на основе анализа экспериментальных кривых сушки 73
Глава 4 Зависимость скорости сушки от влияющих факторов в обобщенных координатах. численный расчет полей температур в слое пены препарата «бифидумбактерин» при влагоудалении методом вакуумной пеносушки . 82
4.1 Зависимость скорости сушки в обобщенных координатах от влияющих факторов при ИК- энергоподводе 82
4.2 Аналитический численный расчет температурных полей в слое пены при сушке в вакууме с ИК энергоподводом 85
Глава 5 Конструирование аппарата на основе выбора рациональных параметров процесса пеносушки препарата «бифидумбактерин». рекомендации по использованию основных результатов диссертационной работы 91
Общие выводы и заключение 96
Список использованной литературы 98
Приложение 116
- Области использования препарата «Бифидумбактерип» с учетом биологических и физиологических свойств
- Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии препарата с водой
- Исследование процесса тепломассопереноса на основе анализа экспериментальных кривых сушки
- Аналитический численный расчет температурных полей в слое пены при сушке в вакууме с ИК энергоподводом
Введение к работе
Микроэкологическая обусловленность многих заболеваний (язвенная болезнь, атеросклероз, мочекаменная и желчекаменная болезни, некоторые новообразования и аллергические проявления, изменения психоэмоционального статуса и др.) служит отправной точкой разработки новых пробиотиков - живых микроорганизмов, веществ микробного и иного происхождения, оказывающих благоприятное действие на организм человека через нормализацию его микрофлоры.
Создание производства биологически активных добавок, пробиотиков, сопровождается сравнительно небольшими затратами и быстро окупается. Этим объясняется ситуация, сложившаяся на отечественном рынке биологически активных добавок (БАД) - на сегодняшний день являются динамично развивающейся группой товаров. Доля БАД в структуре рыночных продаж постоянно возрастает, перечень БАД пополняется все новыми и новыми наименованиями.
В России широкое применение нашли отечественные пробиотики, содержащие живые бифидобактерии, лактобациллы. Одним из широкоизвестных отечественных пробиотиков является препарат «Бифидумбактерин», являющийся нормализующим микрофлору кишечника, иммуномодулирующим средством. Пробиотик «Бифидумбактерин» содержит высушенные живые бифидобактерии.
Ввиду невозможности длительного хранения препарата во влажном виде в технологическую схему его производства введён процесс сушки, напрямую влияющий на качество продукта и на его стоимость. В настоящее время, ввиду особенностей препарата (содержание живых бактерий), его сушка представляет собой длительный сложный и энергоемкий процесс.
Настоящая работа посвящена исследованию и разработке рационального высокоинтенсивного способа сушки препарата «Бифидумбактерин», режимных параметров проведения процесса и аппарата для его осуществления.
Области использования препарата «Бифидумбактерип» с учетом биологических и физиологических свойств
Сушка является одной из самых энергоемких заключительных операций в технологиях пищевых продуктов. Сушка определяет качество готового продукта, энерго— и материалоемкость производства уровень загрязнения окружающей среды, и как следствие стоимость готового продукта. В связи с чем необходимы тщательный учет и анализ всех факторов, влияющих на производительность, термический коэффициент полезного действия, энергопотребляемость, а также на экономичность процесса.
Для повышения качества, улучшения условий хранения продукта, сокращения- продолжительности процесса, а также уменьшения энерго - и материалоемкости производства стоит задача первостепенной важности: оптимизация и интенсификация процесса сушки.
Создание высокоэффективной технологии сушки пищевых продуктов и соответствующего этой технологии аппаратурного оформления должно развиваться по двум основным направлениям [2]: Интенсификация процесса серийного выпуска оборудования и модернизация последнего,
Создание принципиально новой прогрессивной технологии и оборудования для ее обеспечения.
Анализируя существующие в настоящее время различные типы агрегатов, применяемых для сушки микробных препаратов, можно сделать вывод, что ни один из них не дает возможности существенно увеличить термический коэффициент полезного действия из-за термочувствительности основного большинства препаратов. Данное обстоятельство препятствует разработке эффективного малогабаритного сушильного оборудования.
Сохранение высокого качества продукта, а также жизнеспособности микроорганизмов, находится в прямой зависимости от температуры обезвоживания, однако сушка при низких температурах в атмосфере протекает медленно. Для интенсификации процесса низкотемпературной сушки термолабильных препаратов снижают давление среды, что повышает скорость испарения влаги, соответственно и движущую силу процесса.
Одним из первых, кто дал рекомендации по выбору рационального способа сушки и расчету сушильного оборудования был А. В. Лыков. В работе [90] предложены не только рекомендации по выбору способа сушки, но и алгоритмы определения рационального сушильного оборудования, как для периодического, так и для непрерывного способов сушки, разработаны основные принципы выбора нетрадиционных способов сушки.
Одним из наиболее широко используемых способов обезвоживания биологических препаратов является метод сублимационной сушки [87, 121]. При этом из замороженной суспензии или водосодержащих твердых продуктов образуется сухая пористая масса, форма которой копирует исходную. В отдельных случаях образуется порошок различной дисперсности. Сухой продукт легко обводняется и растворяется. При высушивании термочувствительных биологических препаратов этот метод обеспечивает минимальные изменения физико-химических и биологических свойств продукта не только в процессе обезвоживания, но и при длительном хранении. Метод сублимационного обезвоживания является завершающей стадией технологических процессов производства для многих сухих препаратов из живых микроорганизмов [45, 121].
В процессе сублимационной сушки при разрежении создаются определенные условия тепломассообмена между материалом и окружающей средой. Кинетика сублимационной сушки определяется внутренним переносом теплоты и влаги в виде сублимирующихся паров в пределах сублимируемого материала и переносом паров от поверхности материала к конденсатору. Механизм и интенсивность процесса в значительной мере зависят от остаточного давления в вакуумной камере, которое определяет режим течения парогазовой смеси при внешнем массопереносе [87].
Процесс сублимационной сушки продуктов микробиологической, пищевой, медицинской и других отраслей промышленности протекает в основном в условиях молекулярно - вязкостного режима, соответствующего среднему разрежению при температурах от - 5 до - 20 С [138].
Основные принципы и закономерности механизма сублимационной сушки сформулированы в работах М.И. Вербы, А.С. Гинзбурга, Э.И. Гуйго, Э.И. Каухчешвили, А.А. Гухмана, А.В. Лыкова [43, 44, 90, 90]. Модель процесса, предложенная А. А. Гухманом, основана на гипотезе дискретного характера сублимации пара в разреженную среду. Согласно этой модели сублимация льда носит характер струйных течений, исходящих из дискретно расположенных очагов [138].
Для обезвоживания небольших партий фасованных продуктов в пищевой, медицинской, микробиологической и отраслях промышленности, а также для научных исследований широкое применение имеют коллекторные и камерные установки. [84]. Сублимационные сушильные установки камерного типа имеют более высокую производительность по сравнению с коллекторными, а также легче герметизируются. Ампулы с предварительно замороженным продуктом в открытом виде помещают в кассеты. После размещения кассет в камере в ней создается разрежение и начинается процесс сублимации. Установки такого типа в России и за рубежом выпускаются в основном производительностью до 25 кг испаренной влаги за один цикл сушки [121].
В данном случае предварительная фасовка высушиваемого препарата значительно облегчает получение стерильного продукта. Однако вследствие с затруднениями при удалении парогазовой смеси из горлышка ампулы производительность установки невысока.
Для примера камерной сушильной установки можно рассмотреть сушилку TG-02 фирмы «Лейбольд» с вертикальным расположением ампул (рис. 1.1 а) и TG-19 той же фирмы с горизонтальным расположением ампул (рис. 1.1 б), в которой производится также и замораживание материала в ампулах (рис. 1.1 в). В более крупных установках типа TG-5, TG-15, TG-50 этой же фирмы флаконы размещаются на противнях.
Существуют также сублимационные сушилки непрерывного действия [111, 109, 84], однако сложность конструкции и управления процессом делают их малораспространёнными.
Термодинамика внутреннего массопереноса при взаимодействии препарата с водой
Ввиду нахождения определенного диапазона влажности при сушке в гигроскопической области, форма и энергия связи влаги с препаратом в значительной мере определяет механизм массопереноса, при обезвоживании. Разность химических потенциалов Да переноса влаги [90], которая зависит от равновесной влажности и температуры Т, К есть движущая сила сорбции. В изохорно- изобарно- изотермическом процессе, пренебрегая работой расширения пара, Aju равна [90] дифференциальному изменению свободной энергии Гельмгольца AF: При условии, что пар подчиняется закону идеальных газов [60, 63, 94] величина в термодинамике необратимых процессов приблизительно пропорциональна 1пА Уменьшение энтропийной составляющей (дифференциального изменения энтропии) на двух первых участках, как видно на рис. 2.2.1, свидетельствует о том, что вода при этом специфически ориентируется, образует водородные связи между собой и молекулами «Бифидумбактерина» т. е. можно рассматривать как сильно структурированную. В дальнейшем наблюдается уменьшение энтропийной составляющей, и на участке Up 0,225, кг/кг сорбция определяется чисто энтропийным фактором, имеет отрицательное значение. У большинства биологических продукгов дифференциальное изменение связанной энергии всегда имеет отрицательную величину и, энтропийный член весьма мал по сравнению с изменением внутренней энергии [12, 32, 60], что обусловлено гибкостью молекул, существованием ячеек, закрытых жидкостными менисками капилляров и клеточных оболочек [12].
При удалении влаги, связанной с материалом, теплота испарения является суммой теплоты парообразования г, Дж/кг свободной воды г\ Дж/кг и гсм, Дж/кг теплоты смачивания, определяемой дифференциальным изменением свободной энергии изотермического обезвоживания. гсм, численно равной работе отрыва одного моля воды от материала при Т = const. Функция г" = f(T) линейна при Т = 297...313 К при сушке «Бифидумбактерина». Исходя из этого, имеется зависимость вида: Согласно [91] На рис. 2.4 представлены результаты вычислений 5Р по (2.2.11). Диффузия влаги при наличии эффузии [12] (кнудсеновского течения), осложнена уменьшением эквивалентных радиусов и разветвлением сети микрокапилляров в процессе сушки, и как бы их закупоркой, что предопределяет с целью интенсификации массообмена целесообразность увеличение поверхности влагообмена и уменьшение контактов между отдельными частицами для исключения стеклования и агломерации частиц. Это может быть достигнуто за счет эффективного диспергирования препарата в сушильной камере или предварительной аэрацией раствора и сушка его во вспененном состоянии. Анализируя экспериментальные данные можно сделать следующие выводы: Использование кондуктивного энергоподвода нецелесообразно из-за быстрой усадки, стеклования и, вследствие высокой адгезии, сложности отделения .сухого продукта от поверхности «подложки», что может привести к так называемому «козлованию» слоя. Термоосмотический эффект определяет целесообразность объемных способов энергоподода (ИК, СВЧ). Использование кондуктивного энергоподвода нецелесообразно, т. к. термоосмотический эффект способствует более быстрому разрушению пенной структуры (проведенные эксперименты по сушке во вспененном состоянии препарата говорят о правильности вышеперечисленных выводов).
Анализ изменения термодинамических составляющих уравнения Гиббса-Гельмгольца для изохорно - изобарно -изотермического процесса показывает что энтропийная составляющая свободной энергии, играющая значительную роль для данного вида препарата, свидетельствует о наличии полупроницаемых оболочек и ориентационном, структурном (иммобилизационном) и осмотическом виде механизма их взаимодействия с водой. Отрицательное значение свободной энергии во всей области свидетельствует о сильном набухании и частичном растворении при больших значениях активности воды [12, 32, 90]. К теплофизическим характеристикам относятся коэффициенты теплопроводности X, Вт/(м-К), температуропроводности а, м /с, и удельная массовая теплоемкость Ст, Дж/(кг»К), определяющие скорость протекания тепломассообменных процессов при нагревании и охлаждении тел [2, 9]. Теплоинерционные и теплопроводящие свойства влажных материалов [76, 91] определяют температуру в различных точках температурного поля высушиваемого образца. Известно [91], что теплопроводящие свойства влажных материалов характеризуются коэффициентом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности дисперсных материалов - компонентов питательной среды, порошкообразных микробиологических продуктов (бакпрепараты, ферменты, аминокислоты и др.) является величиной условной, так как на нее, кроме влажности, влияют размер частиц, плотность, пористость, объемная масса материала и наличие дополнительного переноса теплоты путем конвекции и лучистого обмена в порах [73]. Обзор развития экспериментальных исследований теплофизических характеристик различных материалов дан академиком А.В. Лыковым.
Исследование процесса тепломассопереноса на основе анализа экспериментальных кривых сушки
Проанализируем механизм внутреннего тепломассопереноса на основе экспериментально изучения кинетики обезвоживания для препарата «Бифидумбактерин» при высокоинтенсивной сушке в тонких слоях. Для процессов тепломассообмена понятие «тонкий слой» предполагает малые значения теплового и массообменного чисел Био (Bim«l, Вім«\), когда поля температур и влагосодержаний в материале, включая его поверхность, практически однородны
И Для анализа механизма внутреннего тепломассопереноса изучалась кинетика обезвоживания препарата «Бифидумбактерин» при вакуумной сушке препарата во вспененном состоянии путем получения кривых обезвоживания и аппроксимирующих зависимостей скорости от варьируемых факторов. Данные экспериментального изучения кинетики сушки препарата и их статистическая обработка представлены в Приложении 1, табл. П.4...П.6.
Для математического описания кривых сушки и скорости влагоудаления были аппроксимированы полиномом шестой степени экспериментальные данные. Во всех случаях величина достоверности аппроксимимации R составляла не менее 0,95. На рис. 3.4...3.6 представлены экспериментальные кривые сушки препарата «Бифидумбактерин» и их аппроксимирующие кривые (штриховые линии), при различных режимных параметрах.
Очевидно, что определяющим при сушке «Бифидумбактерина», является внутренний влагоперенос.
Снижение остаточного давления [91] сильно увеличивает интенсивность испарения за счет повышения коэффициента массообмена, который в первом приближении обратно пропорционален давлению.
Уравнение тепло - и влагообмена в вакууме [91]: где: ара - коэффициент массобмена при нормальном давлении PQ, Па, р -общее давление парогазовой смеси, a(tcn) - количество тепла, подводимого конвекцией от нагретой парогазовой смеси (этим членом можно пренебречь), q„, Вт/м" - плотность результирующего лучистого потока, поглощаемого материалом, Л(чі)п - тепло, переданное теплопроводностью от нагретой поверхности. Это тепло идет на нагревание материала (1 член правой части) и на испарение влаги (2 член).
Согласно [91] при остаточном давлении в вакуумной камере свыше 5... 10 мм рт. ст., перенос пара от поверхности тела в окружающую среду (внешний массообмен) определяется в основном диффузионным переносом через пограничный парогазовый слой у поверхности продукта, при этом справедливо уравнение (3.2.1). При Рост 10 мм рт. ст. механизм внутреннего тепло и влагообмена аналогичен механизму контактной и радиационной сушки при атмосферном давлении [91]. Из уравнения (3.2.1) видно, что коэффициент внешнего влагообмена а = а — при давлении Роап в — раз больше а при нормальном давлении. Так, к примеру, для Рост = 40 мм рт. ст. а = 12аро, а при Рост 20 мм рт. ст., а = Ъ%аРо Здесь определяющим при вакуумной сушке «трудносохнущих» продуктов, является внутренний массоперенос (влагоперенос), и скорость сушки прямо пропорциональна скорости переноса влаги внутри пенослоя. Анализируя кривые скорости сушки, можно сделать выводы о механизме переноса влаги. Рост скорости сушки свидетельствует о преимущественном испарении влаги внутри пузырьков, перемещение же влаги к поверхности через пленочный каркас происходит в виде пара, диффундирующего через утончающиеся в процессе обезвоживания пленки жидкости, что приводит к постепенному увеличению скорости диффузии, увеличение которой определяется также возрастанием градиента давления пара по толщине слоя, схожие выводы сделаны в работе [12]. Диффузия пара происходит в виде последовательных процессов конденсации пара и испарения влаги на жидких пленках пены с различной интенсивностью, в зависимости от глубины расположения поверхности испарения и конденсации [2].
В области второй точки перегиба происходит, по видимому, плавный переход пеноструктуры в капиллярно-пористое тело с высокой дисперсностью ввиду высыхания пленок и их растрескивания, в результате чего образуется сеть микрокапилляров, движение пара через которые осуществляется путем эффузии. Дисперсный состав пен показал, согласно исследованию [12, 14], что ячейки имеют сферическую форму. Согласно данным [136] сферическая форма ячеек наблюдается при кратности пены менеерт = 10...20 м /м (в нашем случае до 6,4). В таких пенах пленки пузырьков имеют относительно большую толщину. За счет разности кривизны отдельных участков пленки в полидисперсных системах жидкость в пленках и каналах Плато [136] находится под разным давлением р = —, Па градиент которого определяет капиллярные явления, такие г как всасывание междупленочной жидкости и диффузия пара между пузырьками. Вывод о том, что в оптически тонком слое глубина проникновения ИК-излучения превышает толщину слоя, а комбинация ИК-энергоподвода в данном случае с кондуктивным, при учете явления интенсивного самоиспарения и дегазации вспениваемого раствора, имеющего тонкодисперсную пеноструктуру, приводит к практически равномерному объемному энергоподводу и испарению влаги во всем объеме продукта сделан в работах [12, 28]. Пленочным движением влаги в виде жидкости, можно пренебречь по сравнению с паропереносом. Согласно вышеизложенному в системе уравнений тепло- и массопереноса [91] коэффициент фазового превращения є с достаточной точностью можно принять равным 1. Учитывая равномерное высыхание пленок пены в процессе пеносушки позволяет заменить величину — для элементарного объема [91] на —, где и, кг/кг влагосодержание, или , где w - средняя влажность по слою, и - среднее влагосодержание по слою. То есть в уравнение переноса тепла можно подставить экспериментально-аналитические зависимости.
Аналитический численный расчет температурных полей в слое пены при сушке в вакууме с ИК энергоподводом
Тепломассообмен при сушке, где происходит существенное изменение технологических свойств бактериологических препаратов, должен рассматриваться в непрерывной взаимосвязи с их технологическими характеристиками. В термолабильных материалах, к которым относится «Бифидумбактерин», большое значение имеет динамика процесса, а также представление величины и распределения температур в слое продукта в любой момент времени.
На практике экспериментальное определение полей температур в пенослое трудноосуществимая задача. Особенность объекта обезвоживания (пена), минимальные значения толщины пенослоя, высокая интенсивность процесса [12, 101] ставят задачу аналитического определения температурных полей.
Эволюцию полей температур в нестационарных условиях можно рассчитать, решая систему дифференциальных уравнений влаго- и теплопереноса [90, 91].
Ввиду сложности ее аналитического решения при переменных коэффициентах составлены алгоритм и программа дифференциально-разностного решения данной системы по неявной схеме с учетом термодинамических параметров, динамики процесса, характеристик препарата, фазовых переходов и внутренних источников теплоты, в реальном процессе.
Для данной задачи следует задать начальные условия, учитывая равномерное распределение температуры в нулевой момент времени: при влажности равной начальной w = wm4, кг/кг температура в каждой точке продукта равна начальной Т=Т0,К, т.е. Т(х, wm4)=T„. На подложке зададим однородные граничные условия 1-го рода [91]. T(xKOmW)=f(W), T(xKOH,W)=const, а теплообмен на поверхности испарения (границе раздела фаз) - граничными условиями 2-го рода при облучении высокотемпературными источниками [91]:
При ИК сушке в окружающей среде осуществляется внешний конвективный теплообмен. В данном случае теплоотдача зависит от формы и размеров поверхности нагрева (или охлаждения), температуры этой поверхности, температуры среды, коэффициента объемного расширения и других ее физических свойств, а также от ускорения силы тяжести. Вместе с тем скорость движения среды не оказывает влияния на теплоотдачу, так как она является функцией указанных выше, независимых переменных. Поэтому критерий Рейнольдса исключается из обобщенного уравнения теплоотдачи при естественной конвекции. Определяющими критериями подобия в котором являются критерии Грасгофа Gr и Прандтля Рг. Соответственно обобщенное уравнение коэффициента теплоотдачи выражается степенной функцией:
Коэффициенты Сип зависят от режима движения жидкости, который определяется температурой поверхности продукта, разностью температур между ней и средой, а также плотностью теплового потока [74].
Средняя температура пограничного слоя (Тст+Т /2 принята в качестве определяющей, где: Тст - температура подложки, К, Тж- температура продукта, К. Определить падающий тепловой поток с учетом отраженного от поверхности внутри слоя теплового потока излучения для одностороннего облучения слоя на холодной подложке можно исходя из выражения: где х - координата глубины слоя, м; / - толщина слоя, м; Rn- интегральная отражательная способность подложки (диска); Ер - плотность падающего потока, Вт/м2.
Решением уравнения (4.1.3) при краевых условиях является функция T = f(x,x,E„,W„m) Для удобства расчета и анализа заменим влажность W, кг/кг, на концентрацию сухих веществ, с, кг/кг, таким образом оба аргумента, по которым ведется дифференцирование, будут возрастать в процессе обезвоживания. Учитывая формулу их связи w= J-с; —= . Тогда:
Для численного решения дифференциального уравнения параболического типа в частных производных при заданных начальных и разнородных граничных условиях, широко применим метод конечных разностей [137].
В основе решения дифференциального уравнения методом конечных разностей лежит аппроксимация производных, осуществляемая в три этапа [142]: 1) Построение в области решения сетки, содержащей п узловых точек, соответствующей характеру задачи и граничным условиям; 2) Выбрав систему координат, представляем производные в конечно-разностной форме, и приводим уравнение к разностному виду; 3) Разностное уравнение используем для описания функциональной связи между соседними узлами сетки.
Используем прямоугольную сетку в координатах х-с. Для решения уравнения переноса тепла можно использовать как явные, так и неявные схемы, а также схемы повышенного порядка аппроксимации [137]. Явные схемы более просты в реализации, однако они условно устойчивы [137]. Неявные схемы, а также схемы повышенного порядка аппроксимации, безусловно, устойчивы при любом соотношении шагов по х, ми с, кг/кг [137]. При решении одномерного уравнения параболического типа предпочтение следует отдать неявным схемам. Подробное описание данного метода решения дифференциального уравнения тепломассопереноса описано в работах [2, 137].
