Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Пленочные покрытия капсулированных форм: характеристика, области использования и перспективы производства 14
1.1 Общая характеристика покрытий капсулированных форм пищевых добавок. Методы нанесения покрытий
1.2 Аппаратурное оформление процесса нанесения пленочных покрытий на капсулированные формы пищевых добавок.
1.3. Разработка состава пленочного покрытия на основе шеллака 35
1.3.1. Анализ существующих композиций для получения защитного пленочного покрытия капсулированных форм.
1.3.2. Используемые материалы и методы 38
1.3.3.Экспериментальное определение состава базовой композиции для получения защитного покрытия капсулированных форм пищевых добавок. 39
1.3.4. Тестирование защитного покрытия 41
1.3.5. Оптимизация количественного соотношения ингредиентов композиции для получения защитного пленочного покрытия капсулированных форм пищевых добавок 42
ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование сорбционных характеристик и термодинамический анализ взаимодействия защитного покрытия капсулированных форм с растворителем 44
2.1 Определение термодинамических характеристик защитного покрытия капсулированных форм пищевых добавок
2.2 Термодинамика взаимодействия сухого скелета защитного покрытия с растворителем 51
ГЛАВА 3. Теплофизические и структурно–механические характеристики защитного покрытия на основе шеллака капсулированных форм пищевых добавок 59
3.1 Экспериментально-аналитическое исследование плотности защитного покрытия на основе шеллака 60
3.2 Исследование удельной теплоемкости защитного покрытия на основе шеллака 64
3.3 Исследование теплопроводности защитного покрытия на основе шеллака 65
3.4 Исследование температуропроводности защитного покрытия на основе шеллака 72
ГЛАВА 4. Экспериментально-аналитические исследования процессов получения защитного покрытия капсулированных форм пищевых добавок 74
4.1 Исследование гидродинамики процесса псевдоожижения слоя капсулированных форм пищевых добавок 74
4.2 Исследование гидродинамики процесса распыления и
параметров факела распыла композиции защитного покрытия
капсулированных форм пищевых добавок 85
4.2.1 Изучение воздействия на газожидкостный факел влияющих факторов при распыливании композиции для получения защитного покрытия капсулированных форм пищевых добавок 85
4.2.2 Критериальное уравнение пневматического распыливания 86
4.3 Исследование процесса нанесения защитного покрытия на
основе шеллака на поверхность капсулированных форм пищевых добавок
4.4 Исследование кинетики сушки защитного покрытия
капсулированных форм пищевых добавок 97
4.5 Анализ данных эксперимента по кинетике сушки защитного покрытия на основе шеллака капсулированных форм пищевых добавок. Механизм тепломассопереноса 100
Глава 5. Моделирование процесса конвективной сушки защитного покрытия капсулированных форм пищевых добавок 103
Глава 6. Практические рекомендации по аппаратурному оформлению процесса нанесения и сушки защитного покрытия на основе шеллака капсулированных форм пищевых добавок 109
Заключение 113
Список литературы
- Разработка состава пленочного покрытия на основе шеллака
- Термодинамика взаимодействия сухого скелета защитного покрытия с растворителем
- Исследование теплопроводности защитного покрытия на основе шеллака
- Критериальное уравнение пневматического распыливания
Разработка состава пленочного покрытия на основе шеллака
В комплексном питании лиц с различными заболеваниями пищеварительной системы наравне с классическими продуктами питания хороший результат дают особые продукты нового поколения, т.н. пищевые добавки.
Данные продукты относительно новы для российского рынка и могут носить разные названия: специализированные питательные смеси, белковые композитные смеси, функциональное питание, сбалансированное питание, биологически активные добавки, однако все они имеют одно общее свойство: они обеспечивают организм человека дефицитными нутриентами (питательными веществами), а также повышают усвояемость пищи. Необходимость в функциональном питании определена самой технологией современного сельского хозяйства. Оскудение почв, искусственное ускорение созревания овощей и фруктов в теплицах, использование минеральных удобрений на полях, а также гормональных препаратов в животноводстве, химических консервантов для длительного хранения продукции, рафинированность и техногенность пищи — все это в результате приводит к значительной потере продуктами своей пищевой ценности.
Также, в следствии изменения образа жизни в современном обществе, человек резко снизил энергозатраты, в результате потребляя в 2-3 раза меньше пищи, чем прежде, и тем самым недополучает важные пищевые компоненты в необходимом количестве. Зашлакованность организма, низкая активность или хронические заболевания органов пищеварения существенно снижают всасываемость компонентов пищи.
Непрерывно расширяющийся рынок пищевых добавок и функционального питания через 20 лет примерно наполовину сократит использование лекарств, и дополнят «традиционные» подходы к питанию и диетам.
Таким образом, можно сделать вывод, что применение пищевых добавок, содержащих, например, различные штаммы бифидо- и лактобактерий, улучшает микрофлору кишечника, позитивно воздействует на функциональное состояние пищеварительного тракта в целом.
Также существует возможность применения пищевых добавок общеукрепляющего, иммунокоррегирующего действия, а также положительно влияющих на функции центральной нервной системы, например, на основе гинкго билоба, эхинацеи и т.д.
Итак, комплексная профилактика функциональных расстройств желудочно-кишечного тракта, основанная на индивидуальном подборе пищевого рациона и пищевых добавок, приводит к улучшению функционального состояния пищеварительной системы и улучшению общего состояния организма.
Лечебно-профилактические пищевые добавки можно классифицировать по следующим признакам: способы применения, агрегатное состояние и др. Более часто встречается классификация по агрегатному состоянию вещества, т. е. жидкие, мягкие, твердые [2]. Иммуностимулирующие пищевые добавки (пробиотики) находят все большее применение при профилактике заболеваний инфекционного и неинфекционного генеза. Перспективны комплексные лечебно профилактические добавки, аккумулирующие в себе положительные свойства монопрепаратов в конкретной готовой форме. В подавляющем большинстве случаев наиболее физиологичным и поэтому эффективным методом введения пищевых добавок является их пероральный прием. Из всех дозированных твердых форм капсулы – это оптимальная форма, обеспечивающая при изготовлении и хранении лучшее сохранение биологических свойств наименее устойчивых активных ингредиентов дозированных пищевых добавок, предназначенных для перорального введения. При этом важной задачей является создание условий, обеспечивающих защиту биологически активных ингредиентов пищевых добавок от их инактивации при хранении и после перорального введения в полости рта, желудка и двенадцатиперстной кишки.
Необходимую герметичность твердой разъемной капсулы в отношении кислорода и водяного пара воздуха, агрессивных ингредиентов содержимого полости рта, желудка и двенадцатиперстной кишки может обеспечить только нанесение энтеросолюбильного покрытия после наполнения корпуса капсулы и соединения его с крышечкой.
Однако получение наиболее эффективных из известных энтеросолюбильных покрытий сопряжено с использованием высокотоксичных веществ, что может приводить к частичной потере биологических свойств активных ингредиентов, усложняет производственный процесс и увеличивает перечень контролируемых токсикантов в составе капсул.
Покрытие оболочками пищевых добавок имеет целью: 1) защиту содержимого капсулы от неблагоприятных внешних воздействий; 2) улучшение вкуса (сокрытие неприятного вкуса); 3) придание капсулированным функциональным пищевым добавкам более красивого внешнего вида (выравнивание неровностей поверхности, цвет); 4) перенесение места действия активных веществ пищевых добавок за пределы желудка.
Оболочки, наносимые на капсулированные формы делятся на: защитные, кишечнорастворимые и пролонгированные (замедленного действия). Защитные покрытия.
Защитные оболочки в свою очередь подразделяются на: - оболочки растворимые в воде и желудочном соке. Целью создания таких оболочек является улучшение внешнего вида капсулированных форм, сокрытие их вкуса и запаха, защита от механических повреждений и от воздействия кислорода воздуха. Следует отметить, что данные оболочки не защищают капсулированные формы от действия влаги воздуха. Такие оболочки получают из водно-спиртовых или водных растворов метилцеллюлозы, оксипропилметилцеллюлозы, поливинилацетилфталата и др. - оболочки, которые не могут быть растворимы в воде, но растворяются в желудочном соке. Они способны предохранить активное вещество от действия влаги и не мешают разрушению его в желудке. Кишечнорастворимые покрытия. Такие оболочки нужны для создания капсулированных форм, растворение которых необходимо только в щелочной среде кишечника. Они локализуют действие активного вещества в кишечнике, пролонгируя их действие. Изменяя состав композиции для получения кишечнорастворимого покрытия и его толщину, можно достигнуть абсорбции активного вещества в определенном отделе кишечника. Кишечнорастворимые покрытия образуют шеллак, ацетилфталилцеллюлоза и другие вспомогательные вещества. Покрытия, используемые для создания капсулированных форм с замедленным действием активного вещества.
Термодинамика взаимодействия сухого скелета защитного покрытия с растворителем
Результаты исследований представлены в таблице П.1 (Приложения), где: Wpi, WP2, и WP3 - равновесные содержания растворителя определенные при трех повторностях; WР - среднее равновесное содержание растворителя определенное по формуле (2.2), кг/кг; Sn - среднее квадратичное отклонение
при определении Wp, определенное по формуле (2.3), кг/кг; SnWp - среднее квадратичное отклонение среднего при определении Wp, вычисленное по формуле (2.4), кг/кг; AWp - погрешность результатов при нахождении Wp, кг/кг вычислена по формуле (2.5), еWp - относительная погрешность по формуле (2.6). Относительная ошибка при определении равновесного содержания растворителя в продукте Wp не превышала еWp = 14,22 %.
По данным экспериментальных исследований построены изотермы десорбции растворителя из композиции для получения энтеросолюбильной оболочки рисунке 2.3.
Во всех продуктах содержатся дипольные молекулы, или частицы, в которых имеющиеся электрические заряды пространственно разделены. Кроме того, даже нейтральные молекулы в электромагнитном поле могут стать диполями. Это можно объяснить тем, что симметрично расположенные в них заряды могут сдвигаться под действием внешних полей. Если дипольную частицу поместить в электромагнитное поле, то она повернется так, чтобы расположиться вдоль силовых линий. Если же направление этих линий изменить, то и частица изменит свою ориентацию. В переменном электромагнитном поле направление магнитных силовых линий меняется несколько тысяч раз в секунду, поэтому диполи начинают колебаться, выделяется кинетическая энергия движения молекул, и продукт быстро нагревается. Глубина проникновения электромагнитных колебаний в продукт зависит от их частоты и свойств продукта (его диэлектрических характеристик). Для выявления сущности физических процессов, происходящих при напылении и сушке композиции для получения защитного покрытия, необходимо иметь представление о ее физико-химическом строении. Одним из важных показателей в процессах сушки является наличие дипольных, подверженных поляризации молекул. Проводя аналогии между процессами влагоудаления и удаления какого-либо растворителя для выяснения подобия данных процессов необходимо оценить дипольность и способность к поляризации молекул растворителя. Одним из наиболее достоверных методов является помещение растворителя в переменное электромагнитное поле (СВЧ) при оценке степени и скорости нагревания. В случае не нагревания образца можно сделать вывод об отсутствии дипольных поляризованных молекул.
Образец композиции был помещен в переменное электромагнитное поле на 10секунд. За это время произошел нагрев композиции до 50 градусов. Это свидетельствует о наличии дипольных поляризованных молекул растворителя.
Ввиду того, что защитное покрытие на основе шеллака - сложная полимерная система, то она подчиняется основным положениям физической химии полимерных веществ, изложенным в трудах Слонимского Г.И., Каргина В.А.., Китайгородского А.И. и т.д. Молекулы растворителя это диполи и когда происходит их взаимодействие с полярными группами, то электронная пара водорода сдвигается к электроотрицательным атомам сухого скелета оболочки, благодаря чему образуется электрическое поле около поверхности молекул продукта, под воздействием которого молекулы растворителя специфически ориентируются [19]. Беря во внимание [29], можно сделать вывод, что растворитель сорбируется не слоями, а так называемыми «кистями» [3] молекул, т.е. происходит объемное заполнение сорбционных центров с разными энергетическими потенциалами, после их заполнения происходит как бы «сшивка» молекулярной структуры условным «мономолекулярным» слоем [19]. По причине образования прочных комплексов (подобных гидратным) на участке Wp от 0,02 до 0,1 кг/кг, (рисунок 2.3) сорбционная способность защитного покрытия незначительно зависит от температуры.
Наличие точек перегиба на кривых десорбции свидетельствует об изменении механизма сорбции, т.е. имеет место качественное изменение формы связи удаляемого растворителя. Содержание растворителя Wp = 0,05…0,06 кг/кг соответствует образованию «монослоя», кривая имеет выпуклость к оси абсцисс, которая характерна для мономолекулярной адсорбции. Затем, благодаря увеличению количества адсорбированного растворителя, молекулярные цепи расшатываются из-за тепловых колебаний молекул растворителя и принимают положения наиболее выгодные энергетически [56]. При чем молекулы растворителя из-за поляризациии последующих слоев предыдущими все еще находятся в ориентированном состоянии [56], т.е. имеет место полимолекулярная адсорбция. При продолжении сорбции, молекулы растворителя проходят в межмолекулярные пространства, образованные начальной свободной упаковкой молекул, в свою очередь приводит к незначительному набуханию, благодаря гибкости молекул защитного покрытия [26, 111].
Для математического описания процесса десорбции на основе экспериментов были получены аппроксимирующие функции относительной влажности воздуха от равновесного содержания растворителя Wp, кг/кг и температуры Т, К:
Основной целью исследования сорбционных свойств являются рекомендации по выбору конечного содержания растворителя, при этом целесообразным с точки зрения длительного хранения является содержание растворителя, соответствующее «монослою» в виду наиболее прочной связи растворителя с материалом.
В работах, на которых базируется теория сушки [28, 63] обоснован термодинамический подход, основой которого являются известные законы классической термодинамики, для изучения процессов массопереноса в объектах сушки. Понятие потенциала массопереноса введено для изучения переноса энергии или вещества. [64]. При обезвоживании механизм массопереноса определяется формой и энергией связи растворителя с материалом [64].
Химический потенциал /л - это потенциал переноса парообразного растворителя во влажном воздухе, и принимается приблизительно равным по абсолютному значению потенциалу массопереноса для материалов, содержащих летучие вещества в области состояния до 100% содержания летучих веществ (водяных паров и паров растворителя) в воздухе (далее гигроскопическое состояние) [28]:
Дифференциальное уравнение переноса тепла [3] включает в себя теплоту испарения r. При удалении растворителя связанного с материалом тепловую энергию испарения г можно представить в виде суммы теплоты парообразования растворителя гЛ и теплоты смачивания гсм. Последняя обуславливается дифференциальным изменением свободной энергии изотермического удаления растворителя. Количество тепловой энергии, которое необходимо затратить для испарения 1 кг растворителя, беря во внимание [108], при учете энтропийной составляющей можно определить по формуле, Дж/кг:
Исследование теплопроводности защитного покрытия на основе шеллака
Все описанные выше зависимости не учитывают факторы, которые влияют на критическую скорость кипения. Например, параметры аппарата (геометрические размеры и форму), тип газораспределительной решетки, состояние поверхности частиц обрабатываемого материала и т.д. В связи с этим наиболее надежно определение критической скорости псевдоожижения проводить опытным путем. [17,36,41,69, 94, 131].
Беря во внимание, что гидравлическое сопротивление псевдоожиженного слоя в большей части определено силой тяжести материала, то потерями напора вызванными местными сопротивлениями можно пренебречь. В аппаратах периодического действия для начала процесса псевдоожижения требуется избыточное давление, равное для аппаратов с постоянным поперечным сечением 1,5-5% от рабочего. Для идеального случая, т.е. монодисперсный слой шарообразных частиц, гидравлическое сопротивление слоя равно: Ad = - = h-(Pi -Pa).g(i-e) (4.6) где G - масса материала; h - высота слоя материала; S - площадь газораспределительной решетки; рм - плотность частицы материала и рг плотность газа; є - порозность слоя.
Экспериментальное исследование гидродинамических параметров ожижения слоя капсулированных форм пищевых добавок проводилось на установке для исследования процесса сушки в псевдоожиженном слое при пропускании через слой восходящего потока воздуха.
Визуальным наблюдением за слоем при переходе продукта в кипящее состояние были определены критическая скорость псевдоожижения Vкр1 и скорость уноса (пневмотранспорта) материала VyH„ а также скорость витания частиц Veum, где VKp1 Veum VyH. Рассчитаны потери напора теплоносителя в системе Ар, порозность неподвижного и взвешенного слоев єО и є. Пробные эксперименты позволили подтвердить вывод о том, что процесс псевдоожижения слоя капсулированных форм и критическая скорость в большей степени зависят от влажности наносимой оболочки и веса частиц.
Гидродинамика в аппаратах кипящего слоя также зависит от конструкции газораспределительной решетки, т.к. неравномерное распределение ожижающего агента может привести к агломерации слоя капсул, а также проскоку ожижающего агента без контакта с частицами, что приводит к нерационально завышенному его расходу. Влияние конструктивных особенностей газораспределительного устройства на неравномерность псевдоожиженного слоя приведено в ряде публикаций, в частности в работе [75].
Наиболее часто в аппаратах кипящего слоя используют провальные (перфорированные и щелевые наборные) и беспровальные решетки. Первый тип провальных решеток - это перфорированный металлический лист, удерживающий слой материала. Толщина решетки принимается в зависимости от диаметра аппарата от 2-15 мм с живым сечением 2-8%. При отключении подачи воздуха возможен провал материала и, следовательно, его подгорание. Щелевые решетки изготавливаются наборными из пластин.
К беспровальным решеткам относят перфорированные пластины, покрытые сверху сеткой, колпачковые тарелки и т.д.
В аппарате для нанесения защитного покрытия на капсулированные формы целесообразнее использовать беспровальную газораспределительную решетку в виде сетки с размерами ячеи не превышающими размеры капсулированных форм, с большим живым сечением, а, следовательно, низким гидродинамическим сопротивлением. Также следует отметить, что при выборе активного гидродинамического режима нужно учитывать характеристики материала подвергаемого сушке и технологическую задачу. Таким образом, учитывая поставленную технологическую задачу, а именно напыление композиции для получения защитного покрытия на капсулированные формы, эксперименты были проведены в цилиндрическом аппарате постоянного сечения при продувании слоя восходящим потоком ожижающего агента. Несмотря на низкие параметры гидродинамических режимов кипящего слоя возможно получение качественного покрытия при относительно простой конструкции аппарата, а также минимальных энергетических затратах. Процесс псевдоожижения слоя капсулированных форм проходит в несколько этапов. На первом этапе процесса псевдоожижения слой капсул остается неподвижным, сопротивление слоя возрастает пропорционально скорости воздуха в степени п. По мере увеличения скорости воздуха взаимное давление капсул исчезает, вследствие возрастания подъемной силы воздушного потока. Продолжая увеличивать скорость воздуха, в слое наблюдается появление новых областей кипения, что повышает его равномерность. Т.е. все частицы находятся в псевдоожиженном состоянии, но кипение при этом неустойчивое. В этот момент скорость воздуха равна Vкипi=4 м/с. Псевдоожижение при котором происходит интенсивное перемешивание капсулированных форм и улучшается контакт между воздухом и материалом, отмечается при скорости сушильного агента Vкип2. =5,5 м/с.
При значении скорости воздуха Vкип2 наиболее целесообразно вести процесс напыления. При дальнейшем увеличении скорости воздуха все частицы слоя переходят в верхнюю часть рабочей камеры аппарата, т.е. скорость уноса Vун составляет 6-6,5 м/с.
Критериальное уравнение пневматического распыливания
На получение качественного покрытия капсулированных форм значительное влияние оказывает конструкция аппарата. В связи с этим аппаратурное оформление должно соответствовать свойствам обрабатываемого материала, а также необходимой производительности и требуемому качеству готового покрытия.
Для того чтобы начать проектирование необходимо обозначить требования к сушильному аппарату, которые необходимы для выбора конструкции и размеров агрегата, а именно: свойства исходного материала, вид связи влаги с материалом, плотность, начальное и конечное влагосодержание, производительность и т.д.
Затем необходимо выбрать конструкцию агрегата, которая обеспечит выполнение этих требований при наименьших экономических затратах. В основном сушильные аппараты не являются универсальными, т.е. не применяются для обработки сырья различных форм и свойств. В каждом конкретном случае необходимо модернизировать или дополнять существующие конструкции или разрабатывать новую [95]. Полученные в диссертационной работе данные экспериментальных исследований могут быть использованы для проектирования нового сушильного аппарата для нанесения и сушки защитного покрытия на основе шеллака на капсулированные формы с рациональными параметрами процесса.
Основываясь на исследованиях свойств защитного покрытия, кинетики сушки разработан новый состав композиции для получения защитного покрытия на основе шеллака [125].
Для обеспечения необходимых характеристик защитного покрытия (толщина, равномерность) была предложена новая конструкция сушильной установки [11], схема которой изображена на рисунке 6.1.
В рабочую камеру 1 аппарата из бункера 10 с помощью шнекового дозатора 9 подаётся необходимое количество нативных форм. Затем в рабочую камеру 1 через газоход 2 подается ожижающий агент и реализуется процесс псевдоожижения нативных форм. Посредством распылительного устройства 7 осуществляется диспергирование покрытия в псевдокипящий слой капсулированных форм. После формирования покрытия на поверхности капсулированных форм увеличивается скорость ожижающего агента в газоходе 2 с целью обеспечения пневмотранспорта покрытых оболочкой форм через трубопровод 5 в циклон 6, в котором за счет возникающей центробежной силы осуществляется отделение готового продукта от отработавшего ожижающего агента, который направляется на регенерацию.
Без модернизации рабочей камеры в процессе псевдоожижения неизбежно происходит хаотичное столкновение форм со стенками рабочей камеры. Наносимое покрытие имеет сравнительно высокие адгезионные и когезионные характеристики, поэтому до достижения конечной влажности покрытия псевдоожиженные формы склонны к налипанию на рабочую камеру и агломерации. Таким образом, несмотря на условия активного воздействия псевдоожижающего агента в процессе нанесения высока вероятность прилипания и фиксации форм на стенках рабочей камеры, что в свою очередь приводит к увеличению доли некондиционной готовой продукции.
Предлагаемая форма внутренней поверхности рабочей камеры аппарата допускает контакт продукта с рабочей поверхностью исключительно в нескольких точках, что в процессе псевдоожижения позволяет исключить прилипание, либо длительную фиксацию форм на стенках рабочей камеры. Увеличение расстояния между центрами оснований смежных сфер более 1 диаметра полусферы приводит к образованию застойных зон между сферами, где возможно накопление наносимого покрытия. Высыхание покрытия в пустотах обусловливает сложность процесса очистки рабочей камеры, при этом последующее попадание сухих частиц оболочки в рабочую зону аппарата является дополнительным фактором для снижения качества наносимого покрытия. Уменьшение расстояния между центрами оснований смежных сфер менее 1 диаметра полусферы обусловливает увеличение количества точек контакта на единицу рабочей поверхности, что с учетом наличия оболочки между контактирующими поверхностями приводит к повышению вероятности прилипания и фиксации псевдоожиженных форм. Количество точек контакта непосредственно зависит от формы псевдоожиженных форм, в результате чего рекомендуется выдерживать соотношение l x 2l , где х, мм - наибольший размер псевдоожиженной формы, l, мм – расстояние между центрами оснований смежных сфер. Устройство позволяет осуществить равномерное нанесение пленочных покрытий на гранулированные, капсулированные и таблетированные формы в псевдоожиженном состоянии, что позволит повысить качество готовой продукции.