SUŠENÍ ROSTLINNÝCH MATERIÁLŮ Ing. Gulnara Grdzelišvili Školitel: Doc. Ing. Pavel Hoffman, CSc.
Abstrakt Tento příspěvek navrhuje vysvětlení zvláštností sušení rostlinných materiálů. Obsahuje stručnou přehlídku teoretických základů sušení rostlin. Jsou projednány faktory ovlivňující rychlost sušení a změny v rostlinných materiálech při sušení. Také je uvedena klasifikace sušáren a jsou posouzeny některé nejvíce používané a perspektivnější druhy konvektivního sušení surovin rostlinného původu. Klíčová slova Drying, preservation by drying, drying processes, drying of food materials, drier, dryer, moisture movement, heat transfer, mass transfer 1. Úvod Z hlediska spotřeby, rostlinné produkty jsou důležitým a nenahraditelným zdrojem vitaminů a minerálních látek, avšak nejsou významným zdrojem bílkovin, tuků a energie. Předpokládalo se, že syntetické vitamíny mohou nahradit přirozené, protože byly reprodukovany syntézou z přírodních materiálů. Nicméně mnohé vědecké studie týkající se vlivu syntetických vitamínů na lidské tělo, stále více a více potvrzují jejich negativní vliv. A tak, rostlinné produkty byly a jsou jediným nesporným zdravým zdrojem vitamínů, a nejen vitaminů. Většina rostlin navíc obsahuje jedinečné zdraví prospěšné látky a má léčivé schopnosti. Například, pálivé papriky bojují proti rakovině kůže, brambory snižují riziko mrtvice, hroznový džus stejně jako červené víno působí na srdce, meruňky pomáhají zachovat dobrý zrak atd. Většina rostlinných materiálů obsahuje přibližně 80% vody, a proto podléhají zkáze. Z důvodů nevhodného zpracování, při přepravě a skladování jejich celková ztráta může dosahovat až 20-40%. Kromě materiálních a ekonomických ztrát, vážné ztráty vznikají v obsahu základních živin, zejména vitaminů a minerálních látek. Transformace rostlinných produktů podléhajících rychlé zkáze s cílem jejich uchování po dlouhou dobu je v současné době důležitým úkolem. Jednou z hlavních technologií prodloužení trvanlivosti je sušení. Technika dehydratace je pravděpodobně nejstarší způsob konzervace potravin. Odstranění vlhkosti zabraňuje množení mikroorganismů způsobujících rozklad a minimalizuje mnohé mikrobiologické, biochemické a enzymatické změny. V důsledku sušení hmotnost rostlinných výrobků se zmenšuje 4-8 krát, a objem – 3-4 krát. Tím se výrazně snižují náklady na balení, skladování a přepravu. Důležitým faktorem je možnost skladovat výrobek při teplotě okolního prostředí. Široká různorodost materiálů sušení a vysoké náklady na sušení způsobilo vývoj různých konstrukcí sušáren. Většina z nich je pro pevné částice a je provozována kontinuálně při přibližně atmosférickém tlaku.
2. Teoretické základy sušení rostlinných materiálů 2.1 Podstata procesu sušení Sušení je běžný fyzikální proces odstraňování nežádoucí vody z příslušného materiálu do ovzduší cestou jejího odpaření. Při samotném sušení vlhkých materiálů probíhají vzájemně provázané procesy přenosu tepla a hmoty mezi materiálem a sušicím médiem. Při odpařování vlhkosti z povrchu se narušuje rovnováha. Vnitřní části suroviny mají vyšší obsah vlhkosti, a rovněž i nižší teplotu než povrchové vrstvy. Vzhledem k rozdílu obsahu vlhkosti povrchových a vnitřních vrstev vzniká gradient vlhkosti. To vede k procesům difuze – vnitřního přenosu hmoty, při kterých dochází k pohybu vlhkosti z vnitřních, více vlhkých vrstev, k povrchovým a zde dochází k jejímu odpařování. Díky existenci gradientu obsahu vlhkosti probíhá kontinuální pokles vlhkosti v celém objemu sušicího materiálu. Transport vlhkosti uvnitř výrobku ovlivňuje také termodifuze, která je podmíněna rozdílem teplot. Pod jejím vlivem se vlhkost pohybuje od oblastí s vyšší teplotou do oblastí s nižší teplotou (v závislosti na tvaru sorpčních izoterem). Při nízkoteplotním sušení termodifuze nemá podstatného významu, ale při vysokoteplotním sušení má značný vliv na sušení. Například, během konvektivního sušení jev termodifuze brání pohybu vlhkosti z vnitřních vrstev k povrchu, protože teplota vnitřních vrstev (kvůli vyššímu obsahu vlhkosti) je nižší. Proto je v těchto případech se doporučeno použít oscilační režim sušení se střídavým dodáváním studeného a horkého vzduchu. To zajišťuje shodu směru difuze a tepelné difuze vlhkosti a sušení se zrychlí. Při zrychlených metodách sušení (při teplotách nad 1000C) k odpařování vlhkosti dochází rovnoměrně v celém objemu výrobku, a vlhkost uvnitř se pohybuje ve formě páry. To vede k vzniku tlakového gradientu, protože rychlost přeměny vody v páru je vyšší, než rychlost jejího odvodu z produktu. Tím se urychluje transport vlhkosti. Procesy vnitřního a vnějšího přenosu tepla a hmoty jsou propojeny a vedou ke změně hmotnosti výrobku během sušení. 2.2 Rostlinné materiály jako objekt sušení Suroviny rostlinného původu, jako objekt sušení, jsou charakterizovány velkým množstvím vody a malým obsahem sušiny. Rostlinný materiál má kapilárně-porézní strukturu. Jeho chemické složení je dáno sacharidy, bílkovinami a lipidy. V malém množství jsou obsažené biologicky aktivní látky, které určují chuť a biologickou hodnotu surovin: polyfenoly, vitamíny, organické kyseliny, minerální látky. Většina sušiny v rostlinných surovinách je tvořená uhlohydráty, které podmiňuji chuťové vlastnosti a konzistenci. Na základě toho, sušení rostlinného materiálu má některé technologické zvláštnosti. Brambory a fazole z uhlohydrátů obsahují hlavně škrob, zelenina a ovoce – mono- a disachary: glukózu, fruktózu, sacharózu. Vysoký obsah monosacharidů při sušení surovin způsobuje tvoření melanoidinů a dochází ke tmavnutí produktu. Kromě toho vysoký obsah cukrů v ovoci a bobulích zvýšuje délku doby trvání procesu sušení rostlinných surovin. Nejpevněji je vlhkost vázaná pektinem, pak škrobem, celulózou a sacharózou. Celulóza, hemicelulóza, - jsou základní složky, které tvoří kostru rostlinné buňky, ve vodě se nerozpouštějí a při sušení se prakticky nemění. Pektiny - mají schopnost vázat vlhkost a prodložují proces sušení. Proteiny denaturují při sušení, částečně hydrolyzují, mění se aminokyselinové složení sušených výrobků. Polyfenolické látky, které mají vysokou biologickou aktivitu, hrají úlohu při vytváření chuti, barvy, vůně. Při technologickém zpracování jsou často příčinou enzymatického ztmavění.
Organické kyseliny jsou snadno rozpustné ve vodě a při mytí (zejména oloupanych a nakrájenych na kostičky surovin) jsou jejich ztráty významné. Vitamíny jsou velmi labilní a citlivé na změny teploty a na vliv kyslíku. To by se mělo brát v úvahu, jak při přípravě rostlinného materiálu k sušení, tak i při sušení. Minerální látky při sušení téměř všechny se zachovají. Z důvodu omezení jejich ztrát se očištěné a nakrájené suroviny nesmí dlouho máčet ve vodě. To znamená, že rostlinný materiál je velmi složitý a jeho sušení bez zhoršení kvality potravin je velmi obtížný úkol. 2.3 Typy vazby vlhkosti v materiálu Voda je hlavní složkou rostlinných buněk, pro většinu případů její podíl činí od 75% do 90%. Nejdůležitější je způsob vazby vody v sušeném materiálu. Existuje volná vlhkost a vázaná vlhkost. Volná vlhkost není spojena s molekulami látky, může se volně pohybovat od buňky k buňce. Používá se pro napájení a podporu životní činnosti buňek. V ní je většina vlhkosti. Volná vlhkost se nachází na povrchu materiálů, ve velkých póréch a v makrokapilárách, snadno se odstraňuje, kromě sušení, též pomocí mechanického působení (odstředěním, lisováním). Vázáná vlhkost se tvoří v důsledku vazby s molekulami látky a je charakterizována následujícími fyzikálně-chemickými vlastnostmi: · slabě nebo vůbec nerozpustí látky, které jsou rozpustné ve volné vodě · má měrnou tepelnou kapacitu nižší než je obvyklá a přibližně rovnou měrnému teplu ledu · zamrzá při velmi nízkých teplotách pod bodem mrazu · má vyšší hustotu ve srovnání s volnou vlhkostí · je neelektrovodivá, na rozdíl od čisté vody, protože neobsahuje rozpustné látky. Většina vody se nachází ve volné formě, a jen asi 5% je vázáno na buněčné koloidy a zde je pevně vázána. To vysvětluje snadnost sušení ovoce a zeleniny do obsahu vlhkosti 12-14% a komplikace s odstraněním zbytkové vlhkosti. Při vysoušení surovin vlhkost často dosahuje hodnoty až 8-20%. Rebinder klasifikoval formy vazby vlhkosti s materiálem do třech skupin: chemické, fyzikálně-chemické a mechanické vazby. Chemická vazba je nejodolnější. Chemicky vázaná vlhkost se prakticky neodstraňuje během sušení. Chemicky vázaná vlhkost se dělí na vlhkost vody, připojené ve formě hydroxylových iontů a vody, obsažené v krystalických hydrátech. Fyzikálně-chemická vazba je méně pevná. Tato skupina zahrnuje adsorpčně a osmoticky vázanou vlhkost. Mechanická vazba je nejslabší, udržuje se díky obsazení makro- a microkapilár. Proto tuto vlhkost také nazýváme kapilárně-vázánou. Mechanicky vázaná vlhkost se prakticky neliší vlastnostmi od volné vody, její lze považovat za volnou vodu, která během sušení se snadno odstraňuje nejdříve. 2.4 Izotermy adsorpce a desorpce Podle schopnosti materiálů pohlcovat vlhkost z okolního prostředí rozlišujeme hygroskopické a nehygroskopické látky. Schopnost materiálu udržovat vlhkost je důležitá při sušení a charakterizuje se rovnovážnou vlhkostí. Tato hodnota závisí na teplotě a vlhkosti okolního prostředí.
Rovnovážná vlhkost je vlhkost, při které tlak vodní páry nad materiálem se bude rovnat parciálnímu tlaku vodní páry v okolním prostředí. Při tom teplota materiálu se rovná teplotě okolního prostředí. Grafický vztah mezi obsahem rovnovážné vlhkosti materiálu a vlhkosti vzduchu při určité konstantní teplotě se nazývá sorpční izotermou materiálu. Pokud rovnováha je dosažena adsorpcí vlhkosti z okolního vzduchu, dostaneme adsorpční izotermu (vlhčení). Jestliže rovnováha byla dosažena odevzdáním vlhkosti materiálem okolnímu vzduchu, vytváří se izoterma desorpční (sušení). Adsorpční a desorpční izotermy jsou na obr. 1.
Obr. 1. Adsorpční a desorpční izotermy Hlavní složky ovoce a zeleniny - sacharóza, škrob, pektin a celulóza mají různé účinky na vazbu vlhkosti s materiálem. Hodnota rovnovážné vlhkosti při stejné relativní vlhkosti a teplotě vzduchu je nejvyšší u pektinu (a tak největší je i energie vazby), poněkud nižší je u škrobu a nejnižší u sacharózy. Proto je vlhkost nejpevněji vázaná pektinem, pak škrobem, celulózou a sacharózou. Obsah těchto složek v rostlinných materiálech má podstatný vliv na dobu trvání procesu sušení. 2.5 Určování obsahu vody Pro definování obsahu vody v sušeném materiálu se používají následující vztahy: Měrná vlhkost:
XS =
mH2O mS
(1)
Relativní vlhkost: ω=
m H2O mV
(2)
Tyto vztahy neberou v úvahu chemicky vázanou vodu, kterou tepelným způsobem sušení nelze odstranit.
2.6 Sušicí prostředí Sušicím prostředím mohou být spaliny, pára nebo inerty, ale nejčastěji vzduch (vlhký vzduch). Jeho stav charakterizuje obsah vlhkosti (měrná a relativní vlhkost), teplota (skutečná teplota, teplota rosného bodu, teplota mokrého teploměru), entalpie a hustota. Měrná vlhkost XA - relativní hmotnostní podíl vodní páry (kg páry/kg suchého vzduchu); v technice prostředí je vžité pojmenování absolutní vlhkost. Relativní vlhkost φ - poměr hmotnostní koncentrace páry ρv k maximální možné koncentraci páry ρv" v nasyceném vzduchu (při téže teplotě). Entalpii vlhkého vzduchu, vztaženou k referenční teplotě 0°C, vyjádříme jako součet entalpie suchého vzduchu (cAtA) a entalpie vodní páry (Iw + cvtA), kde cA (=1.01 kJ.kg-1.K-1) je měrná tepelná kapacita suchého vzduchu, cv (=1.84 kJ.kg-1.K-1) měrná tepelná kapacita vodní páry a Iw (=2500 kJ.kg-1) je výparné teplo: h A = c A t A + X A (I w + c v t A )
(3)
Takto definovaná entalpie je vztažena na 1 kg suchého vzduchu. Teplota rosného bodu Tdp (dp - dew point) – teplota při které začíná docházet ke kondenzaci páry, souvisí zcela jednoznačně s měrnou vlhkostí vzduchu " pv" (Tdp ) M w p v (Tdp ) XA = = 0.622 , M A p A - p "v (Tdp ) p A - p v" (Tdp )
(4)
což vyplývá z definice měrné vlhkosti (molární poměr páry a suchého vzduchu je dán poměrem parciálních tlaků a moly se přepočtou na kilogramy dle molekulových hmotností Mw=18 a MA=28.96).
Obr. 2. h-X diagram vlhkého vzduchu (ohřev vzduchu) Teplota mokrého teploměru Twb (wb - wet bulb) je to teplota, kterou ukazuje teploměr obalený mokrou punčoškou při vynuceném obtékání vlhkým vzduchem a při odstínění proti tepelnému záření (psychrometr). Twb charakterizuje teplotu materiálu při vysoušení volné
vody a po odstranění volné vody se teplota materiálu může zvýšit až na teplotu sušicího vzduchu TA. Twb se již tak snadno spočítat nedá a v technických výpočtech ji lze aproximovat teplotou adiabatického sycení. Parametry vlhkého vzduchu se znázorňují v Mollierově h-X diagramu, který lze sestrojit na základě předchozích vztahů. Na horizontální ose je měrná vlhkost XA a na vertikální entalpie; rastr entalpií je skloněný o úhel 135° - výhoda spočivá v tom, že izotermy jsou pak přibližně horizontální, viz obr.1 (při konstantních c a Iw jsou to dokonce rovnoběžné přímky, viz rovnice (3)). Porovnáním lze řict, že Mollierův h-X diagram vyjadřuje stejné vlastnosti jako Psychrometrický diagram ASHRAE. Oba jsou velice užitečné při řešení stavů změn vlhkého vzduchu. Proces transformace Mollierova diagramu do diagramu Psychrometrického je ukázán dole.
Obr. 3. Transformace Mollierova diagramu do diagramu Psychrometrického
2.7 Porovnání veličin a vztahů pro výpočet vlhkého vzduchu v ČR a v USA (americký standart ASHRAE) ASHRAE (The American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) – Americké sdružení inženýrů vytápění, chlazení a úprav vzduchu. Jak v ČR tak i v Spojených státech amerických jsou používané normy pro výpočty vlhkého vzduchu velmi podobné. Proto veškeré vzorce pro výpočet stavů či změn vzduchu se liší pouze velice málo a to většinou hodnotami konstant. Je zde zřejmé, že je to způsobeno jinými podmínkami měření, za kterých byly konstanty stanoveny. Liší se také samozřejmě označením některých veličin. Tabulka 1. – Porovnání veličin pro výpočet vlhkého vzduchu podle standartů ČR a standartů ASHRAE Hodnota Označení ČR USA 1 Měrná tepelná kapacita cA [J/kg.K] 1010 1006 suchého vzduchu 2 Měrná tepelná kapacita vodní cv [J/kg.K] 1840 1805 páry 3 Výparné teplo vody Iw [J/kg.K] 2500 2501
Proto se také následně liší vztah pro výpočet entalpie h A = c A t A + X A (I w + c v t A ) ČR h A = 1010 × t A + X A (2500 × 10 3 + 1840 × t A )
(5)
USA h A = 1006 × t A + X A (2501 × 10 3 + 1805 × t A )
2.8 Statika sušení Statika sušení zahrnuje materiálové bilance sušeného materiálu a sušícího média a tepelné bilance. . Q .
.
MA ; X A0 ; hA0
Vzduch
MA ; XA1 ; hA1
.
W
. MS ; XS0 ; hS0
.
Sušený materiál
MS ; XS1 ; hS1
Obr. 4. Bilance sušárny Látková bilance (bilance vlhkosti): & A X AO + M & S X SO = M & A X A1 + M & S X S1 M
(6)
Hmotový průtok (množství odvedené vlhkosti): & =M & A (X A1 - X AO ) = M & S (X SO - X S1 ) W
(7)
& =M & A (h A1 - h AO ) + M & S (h S1 - h S0 ) Q
(8)
Energetická bilance:
2.9 Kinetika sušení V sušení jde o současné sdílení hmoty a tepla, a proto existuje hnací síla hmotová a teplotní. Teplotní hnací síla v materiálu je reprezentovaná gradientem teploty podle Fourierova zákona. Hustota tepelného toku v materiálu:
q& = -λÑt ,
kde
Ñt =
¶t ¶t ¶t + + ¶x ¶y ¶z
(9)
Hmotová hnací síla v materiálu závisí na chemickém potenciálu sušeného předmětu a je reprezentovaná gradientem koncentrace podle Fickova zákona v ustáleném ději. Hustota hmotového toku: m & = - D Ñc ,
kde
Ñc =
¶c ¶c ¶c + + ¶x ¶y ¶z
(10)
Hustoty tepelných a hmotových toků mezi materiálem a prostředím se vypočítají následovně:
q& = aDt ,
(11)
m & = b r Dr = b p Dp
(12)
Součinitelé přestupu hmoty β a tepla α závisí na rychlosti proudění, charakteristických rozměrech a termofyzikálních vlastnostech materiálu a vzduchu. Určujeme je z vhodných kriteriálných korelací pro Nusseltovo a Sherwoodovo kriteria. Nu = C1 Re a1 Pr b1 , Nu = Sh = C 2 Re a 2 Sc b 2 , Sh =
aL n , Pr = l a
b ¢L D
, Sc =
n D
(13)
(14)
Teplotní a hmotová hnací síly ovlivňují průběh sušení, jak je vidět na obrázcích obr. 5. a obr. 6., kde jspo uvedeny typické sušicí křivky , t.zn. závislost měrné vlhkosti na době sušení a závislost teploty materiálu na době sušení. Při analýze křivek sušení můžeme rozlišit tři hlavních oblasti: Úsek A-B – ohřev na odpařovací teplotu. Tato fáze sušeni probíhá rychle a v porovnání s celkovou délkou sušení tento úsek často splývá s úsekem B-C nebo se zanedbává. Úsek B-C – konstantní rychlost sušení. V této části sušení z povrchu sušeného materiálu se odpařuje tzv. volná voda. Fyzikálně se tento případ podobá odpařování vody z volné hladiny, protože slabá vrstva vody je neustále doplňována vodou z materiálu a přísun je tak velký, jako je úbytek odpařené vody. Délka této části závisí na porovitosti materiálu, vlhkosti a velikosti částic a na parametrech sušicího vzduchu. Pro případ dvojice voda-vzduch se teplota povrchu materiálu rovná teplotě vlhkého teploměru, za předpokladu, že teplo bude látce předáváno pouze prouděním. V praxi nebývá tato podmínka vždy splněna, protože se teplo předává často navíc i sáláním a vedením. Zvyšování rychlosti sušení v tomto úseku je tedy možné zvyšováním rozdílu parciálních tlaků, vyšší teplotou a rychlostí vzduchu a jeho nižší relativní vlhkostí. Tento úsek konstantní rychlosti sušení trvá až do bodu C, nazývaného kritický bod. Úsek C-D – klesající rychlost sušení. V této části probíhá odpařování vázané vody.
Obr. 5. Sušicí křivka závislosti měrné vlhkosti na době sušení
Obr. 6. Sušicí křivka závislosti teploty materiálu na době sušení. Nemůže-li být k povrchu materiálu přiváděno z vnitřních vrstev tolik vlhkosti, kolik se jí za stávajících podmínek odpaří, rychlost sušení se zpomaluje. V tomto úseku je intenzita rychlosti sušení určována více rozdělením vlhkosti v materiálu a její difuzí materiálem, než vnějšími podmínkami sušení (parametry sušícího vzduchu, geometrický tvar tělesa). Pro efektivnější průběh sušení je výhodné kritický bod posunout ve směru zmenšující se vlhkosti. Toho lze docílit především zlepšením rovnoměrnosti sušení, které zabrání vytvoření přeschlé povrchové kůry. Vzhledem ke složitosti dějů v tomto úseku není k dispozici praktická a použitelná metoda početního stanovení doby sušení v tomto úseku. Ze sušící křivky se určuje rychlost sušení pro libovolný časový úsek. Rychlost sušení se definuje jako tangens úhlu sklonu tečny, provedené v daném bodě na křivce sušení, který odpovídá určité vlhkosti materiálu.
u = tgg =
dX S dt
(15)
Maximální rychlost při konstantní rychlosti sušení se stanoví podle rovnice (15) následovně: æ dX ö u max = tgg max = ç S ÷ è dt ø max
(16)
Na konci sušení při rovnovážné vlhkosti je rychlost sušení 0. 2.10 Doba sušení Doba sušení je nejdůležitější parametr pro výpočet sušárny. Z ekonomických důvodů je snaha dobu sušení minimalizovat, ale nesmí to být na úkor kvality. Stanovení doby sušení empirickými vzorci je složité a musí být použito mnoho opravných koeficientů pro různé vlivy na průběh sušení. Na dobu sušení mají hlavně vliv: · Vlastnosti sušené látky – struktura a sazba vlhkosti · Tvar sušené látky – rozměry částice, tloušťka sušené vrstvy · Počáteční, konečná a kritická vlhkost · Styk sušené látky se sušícím plynem · Teplota, relativní vlhkost a rychlost sušícího plynu · Volba sušícího plynu · Přípustná teplota látky · Nároky na rovnoměrnost usušení · Volba konstrukce sušárny 3. Faktory ovlivňující rychlost sušení Mezi hlavní faktory, které ovlivňují rychlost sušení je: teplota sušícího média, rychlost proudění vzduchu, relativní vlhkost vzduchu, stupeň (úroveň) rozmělnění materiálu, tloušťka vrstvy. 3.1 Teplota sušicího média Na začátku sušení zvýšení teploty sušicího média vede k zrychlení procesu sušení. Ale současně se zvyšují tepelné ztráty, které jsou nejvýznamnější na konci sušení, kdy má materiál nízkou vlhkost. Maximální přípustné teploty závisí na druhu materiálu a na způsobu sušení. Při sušení materiálu v pevné vrstvě je spodní vrstva sušeného materiálu v kontaktu s sušicím médiem (činidlem) a s podkladní síťkou, které jsou zahřáté do maximální teploty. To vede k místním přehřátím (maximální teplota by neměla být vyšší než 70-75°C). Při sušení ve „fluidní vrstvě“ probíhá kontinuální pohyb (posun) a míchání materiálu, k místnímu přehřátí nedochází a maximální přípustné teploty sušicího média a materiálu mohou být zvýšeny (maximální teplota může dosáhnout od 140 do 180ºC). Během sušení rozprašováním je teplota sušení dána vzájemným směrem pohybu sušicího média a materiálu. Při počátečním období sušení intenzivněji probihá při souproudu/při paralelním proudění (pohyb sušicího materiálu a sušicího média jsou směrovány ve stejném směru). Na konci sušení intenzivněji sušení probíhá při protiproudu (pohyb sušicího materiálu
a sušicího média jsou směrovány v opačném směru). Teplota sušicího materiálu na konci procesu sušení při souproudu se blíží k teplotě odpadního vzduchu, a při protiproudu - k teplotě přiváděného (vstupujícího) vzduchu. Proto konečná teplota materiálu je mnohem vyšší při protiproudu a může být vyšší než je přípustná. Aby k tomu nedocházelo, pro sušení termolabilních materiálů je nezbytný souproud pohybu (paralelní pohyb) vzduchu a sušicího materiálu. Při paralelním proudění vzduchu na sušení se používá vzduch s teplotou od 180 do 200°C, zatímco při protiproudém proudění – by tato teplota neměla překročit 140°C. Úspornějším se jeví paralelní pohyb vzduchu a sušicího materiálu. 3.2 Rychlost proudění vzduchu Vliv tohoto faktoru na rychlost sušení se projevuje pouze na úseku konstantní rychlosti (při konstantní teplotě a relativní vlhkosti). Čím vyšší je rychlost průtoku vzduchu, tím vyšší je rychlost sušení. Tento efekt je patrný do rychlosti vzduchu 5 m/sec. Další zvýšení rychlosti proudění vzduchu je omezeno tím, že proud vzduchu „odtrhává“ od sušicího povrchu malé kousky sušicího materiálu. Tato vlastnost průtoku vzduchu se používá pro sušení ve „fluidní vrstvě“, kdy rychlost proudění vzduchu je 5-15 m/sec. Na konci sušení rychlost proudění vzduchu neovlivňuje podstatně na rychlost sušení. V tomto úseku rychlost nemá být větší než 1 m/sec. 3.3 Relativní vlhkost vzduchu Při konstantní teplotě a rychlosti proudění vzduchu je rychlost sušení v první fázi (v prvním úseku sušení) nepřímo úměrná nárůstu relativní vlhkosti vzduchu. Poté tato závislost se snižuje a zvyšuje se znovu v konečné fázi sušení. V něm je závislost procesu sušení na relativní vlhkosti určena hodnotou rovnovážné vlhkosti, která odpovídá zbytkové vlhkosti sušicího materiálu. 3.4 Stupeň rozmělnění materiálu Rozmělnění materiálu podstatně zkracuje dobu sušení. Tento faktor se používá ve rozprašovacích sušárnách, kde se dobře rozmělněný materiál usuší během několika sekund. 3.5 Tloušťka vrstvy nebo měrné zatížení Tento faktor má vliv na rychlost sušení tímto způsobem: zvýšení tloušťky vrstvy snižuje rychlost sušení, hlavně na první etapě. V průběhu sušení se zmenšuje tloušťka vrstvy, a rychlost sušení se zvyšuje. To umožňuje instalovat na pásových sušárnách nižší rychlosti pohybu dolních pásů (12 cm/min) ve srovnání s horními (20 cm/min). Pro rovnoměrné sušení by zatížení materiálu na pásu mělo být rovnoměrné. V pásových sušárnách je to zajištěno přítomností speciálního zařízení (obraceč, kypřič/tedder). Měrné zatížení ovlivňuje výkonnost sušicího zařízení. S rostoucí tloušťkou vrstvy se výkon zvyšuje, ale jen do určité míry měrného zatížení materiálem, poté to vede k poklesu produktivity sušicích zařízení. Kromě toho zvýšení tloušťky vrstvy je spojeno s nárůstem spotřeby elektrické energie pro ventilátor, podávací vzduch na sušení. Proto se tloušťka vrstvy určuje individuálně pro každý sušicí materiál v závislosti na způsobu sušení. Například pro ovocné a zeleninové suroviny, v sušárnách s pevnou vrstvou optimální měrné zatížení je 6,5-18,5 kg/m2, ve „fluidní vrstvě“ – 80-120 kg/m2. 4. Způsoby sušení rostlinných materiálů Materiál lze sušit přirozeným nebo umělým způsobem. Přirozené sušení je nejstarší způsob odstraňování vlhkosti ze hmoty. Voda se na povrchu materiálu odpařuje a pára difunduje do okolního vzduchu. Nároky na energii nejsou prakticky
žádné. Avšak při průmyslové výrobě se projeví jeho nevýhoda – malá rychlost sušení. Tato je příčinou potřeby velkých prostorů a ploch, které zvyšují nejen investiční náklady, ale i náklady na dopravu a manipulaci. Z tohoto pohledu je výhodnost přirozeného sušení sporná. Proto se stále více používá pro různé druhy materiálů umělého sušení v sušárnách. Sušárny jsou aparáty, v nichž se přívodem tepla odstraňuje z materiálu vlhkost vypařováním. Sušárny lze klasifikovat dle různých kritérií: 1. Podle režimu provozu: · Kontinuální · Diskontinuální 2. Podle provozního tlaku sušicího prostředí: · Atmosférické · Vakuové · Přetlakové 3. Podle způsobu přívodu tepla (chladu): · Konvektivní – tepelná energie se přenáší pomocí konvekce · Kontaktní (konduktivný) – tepelná energie se přenáší pomocí tepelné vodivosti · Radiační – tepelná energie se přenáší pomocí radiace · Vysokofrekvenční – tepelná energie se transformuje z elektrické energie uvnitř sušeného materiálu · Akustické (ultrazvukové) – tepelná energie vzniká v důsledku ultrazvukového kmitání · Kombinované – přenos tepla probíhá pomocí kombinace některých výše uvedených metod 4. Podle druhu sušicího média existují aparáty, v kterých se použivají: · Vzduch · Spaliny · Přehřátou páru · Inertní plyny 5. Podle cirkulace sušicího média: · S přirozenou cirkulací · S nucenou cirkulací 6. Podle počtu použití sušícího vzduchu · Sušárny bez recirkulace sušícího vzduchu · Sušárny s recirkulací sušícího vzduchu 7. Podle směru pohybu sušicího média a sušicího materiálu: · Polopohyblivé – se pohybuje pouze sušený materiál nebo pouze sušicí médium. · Souproudové – směr pohybu sušeného materiálu a sušicího média je stejný. · Protiproudové – směry pohybu sušeného materiálu a sušicího média jsou opačné. · Křížoproudové – směr pohybu sušeného materiálu je kolmý na směr sušicího média. 8. Podle způsobu ohřevu sušicího média: · S ohřevem sluncem · S ohřevem elektřinou · S ohřevem parou · S ohřevem spalovaným plynem
9.
10.
· S ohřevem spalovaným pevným či kapalným palivem Podle konstrukce: · Komorové · Tunelové · Šachtové · Pásové · Bubnové · Válcové a jiné. Podle druhu sušicího materiálu: · Pro tuhé materiály · Pro tekuté materiály · Pro pastovité materiály
Volba způsobu sušení závisí na biochemických a strukturálně mechanických vlastnostech materiálů, na jejich stavu během dehydratace (celé plody, nakrájené na kousky, tekuté produkty), stejně tak jako na vlastnostech finálního výrobku a na efektivitě procesu. 5. Konvektivní sušení Konvektivní sušení výrobků je jednou z nejběžnějších metod sušení. V průmyslovém měřítku se realizuje sušení ovoce, zeleniny, masa, ryb a dalších produktů. K přenosu tepla při konvekčním sušení produktu dochází pomocí ohřátého sušícího média. Toto je obvykle vzduch nebo přehřáté páry. Také může být použit inertní plyn, spaliny nebo jiné nosiče tepla. Teplota sušícího média musí být vyšší jak teplota sušeného produktu. Tepelná energie je převedena do sušeného materiálu, z něj se odpařuje voda a vodní páry odvádí sušící médium. Při konvektivním sušení rozlišujeme: - Konvekční sušení ve vrstvě. Například sušárny tunelové, komorové, šachtové, pásové, turbinové a válcové; - Konvekční sušení s ofukem tryskami, - Konvekční sušení v částečné či plném vznosu. Používají se sušárny bubnové, fluidní, pneumatické (proudové), vírové, rozprašovací. Všechny konvekční sušárny mají stejné principy práce a poměrně jednoduchý design a relativně nízkou cenu. Specifická spotřeba energie těchto zařízení je poměrně vysoká. Při sušení jsou tepelné ztráty v důsledku ohřevu samotné sušárny a ztrát do okolního prostředí. Avšak jejich energetická efektivnost bude záviset na ceně použitého zdroje energie. 5.1 Několika pásové konvektivní sušárny Několika pásová sušárna je spojení obvykle 4 nebo 5 pásů umístěných nad sebou (Obr. 7). Sušený materiál přepadává na druhý pás, tím se promíchává a zkracuje se doba sušení. Pásy jsou většinou z drátěného pletiva, pro potravinářské produkty obvykle nerezového, ev. z plastů.
Zvláštností takových sušáren je to, že výrobek se suší v tlusté vrstvě s výškou 75 až 150 mm.
Obr. 7. Několikapásová sušárna Výhody:
Nevýhody:
· · · · · · ·
Tato sušárna má kontinuální provoz. Možnost regulace rychlosti každého pásu Možnost regulace teplotního režimu nad každým pásem Vhodná pro velké výkony Použitelná i pro materiál s malým obsahem sušiny Snadná konstrukce sušárny Závěsová sušárna dělí materiál na granulát
· ·
Vysoké provozní náklady Velká tlaková ztráta
5.2 Fluidní sušárny V potravinářském průmyslu tento způsob používají na sušení obilí a kousků ovoce či zeleniny nakrájených na kostky s velikostmi stran od 8 do 20 mm. Sušící vzduch prochází zespodu vrstvou nasypaného materiálu a to takovou rychlostí, aby sušený materiál byl ve vznosu, avšak neulétával, tzn. byl pod rychlostí úletu částice. Částice sušeného materiálu jsou v intenzivním styku se sušícím vzduchem, jsou ve vznosu a tím dochází ke zmenšení vzájemného tření. Podobně jako u fluidního dopravního žlabu dochází k pohybu materiálu po podloží i jen málo nakloněném (Obr. 8). Takto sušený materiál se proto chová jako tekutina. Použití vysokých teplot při sušení vede k intenzifikaci odstranění zbytkové vlhkosti s důvodu jejího transportu uvnitř materiálu ve formě páry, t.zn. odpařováním vlhkosti uvnitř částice. Proto lze produkty vysoušet do velmi nizké zbytkové vlhkosti během krátkého časového období. Vysoký stupeň vysušení vede ke zvýšení doby skladování hotového výrobku. Částice materiálu během procesu sušení při vysokých teplotách si uchovají svůj původní tvar a objem. Sušené částice mají porézní strukturu a dobré rehydratační vlastnosti.
Obr. 8. Fluidní sušárna Výhody: · · · ·
Jednoduchost Dobrý specifický výkon Možnost sušit materiály s různými obsahy vlhkosti Vysoušený produkt má dobré vlastnosti
·
Vyšší tlakové ztráty
Nevýhody 5.3 Rozprašovací sušárny Rozprašovací sušárny se používají v potravinářském průmyslu na sušení mléka, vajec, ovocných šťáv, polévky a jiné. Lze totiž sušit jakékoliv tekuté látky a většinu kašovitých. Principem těchto sušáren je rozdělit tekutinu v sušící komoře na jemné kapičky. Tím se vytvoří extrémně velký styčný povrch (plocha 1 kg roztoku je přibližně 600 m2) a doba sušení trvá sekundy. Při sušení vnitřní difúze nemá prakticky žádný vliv na rychlost sušení. S obrovské plochy rozptýlených částic se odstraňuje především povrchová vlhkost. To umožní použít při sušení teplo-citlivých výrobků zvýšené teploty sušicího média (až do 180-200 0C). Kapalinu lze rozprášit třemi způsoby: · Mechanicky – pomocí tlakové dýzy, kapalina vstupuje axiálně nebo tangenciálně (obvykle pracují s nižším tlakem kapaliny) · Pneumaticky – rozprašování probíhá za pomoci dalšího média, dvě základní dýzy (Obr. 9.) · Odstředivě – kapalina natéká na rozprašovací kotouč, který má vysoké otáčky (až i přes 350 ot./s ) (Obr. 10.) Výhodou rozprašování tryskou je malá spotřeba energie, tichý provoz, jednoduchá konstrukce. Nevýhodou je zanášení výstupních otvorů kvůli malému průřezu. Při zvyšení výkonu se zhoršuje kvalita rozprašování, proto v sušárnách s velkým výkonem se instaluje více trysek. Rozprašování kotoučem je více rozšířeno, protože se rychle rotující kotoučem (obvyklé otáčky 7500-30000 min-1) lze rozprašovat kapaliny s vysokým obsahem sušiny (až 50% a výše). Jeden kotouč postačí pro jednu sušárnu jakéhokoliv výkonu. K nevýhodam takového rozprášení patří vysoké náklady na zařízení, potřeba většího průměru sušicí komory z důvodu širokého rozptylu kapiček. Pohyb rozprašovaných částic a vzduchu v komoře může být souproudový nebo protiproudový. Souproudový pohyb se používá pro sušení teplo-citlivých výrobků, což umožňuje použití vyšších teplot bez nebezpečí přehřátí výrobku.
Obr. 9. Hlavice pro pneumatické rozprašování
Obr.10. Kotouče pro odstředivé rozprašování Výhody: ·
Nevýhody:
· · ·
Vhodné pro termolabilní látky, protože sušení probíhá ve vteřinách Velmi dobrá regulace chodu Jednoduchá konstrukce komory Jediná sušárna, kde lze přímo z roztoku získat finální produkt
· · ·
Drahé čištění odtahu plynu ze sušárny (cyklony, filtry) Pro kašovité látky problematická doprava a rozprašování Vysoké investiční náklady pro malé výkony
6. Negativní změny v rostlinných materiálech při sušení Při sušení v rostlinných materiálech dochází k významným změnám. Hlavní negativní změny jsou: smršťování, změna barvy, zatvrdnutí, snížení rehydratacioní vlastností, ztráta těkavých (vonných) látek, ztráta vitaminů. 6.1 Smršťování materiálu Objemové smršťování rostlinných potravin má lineární závislost na obsahu vlhkosti v materiálu. Objem sušené částice v libovolné době sušení: w ö æ V = VS ç1 + kV ÷ 100 ø è
(17)
kv je koeficient objemového smrštění (pro brambory nakrájené na kostky 8×8×8 mm - 0.625, pro kukuřici - 0,25, pro hrášek - 0,15).
Při rovnoměrném sušení a malém poklesu vlhkosti v materiálu se při smršťování zachovává tvar částic. Nerovnoměrné sušení vede k narušení tvaru částic. Při velkém poklesu vlhkosti v materiálu vznikají praskliny. 6.2 Změna barvy Nevratné nežádoucí barevné změny, ke kterým dochází v průběhu sušení, se nazývají: přehřátí, zhnědnutí a popálení. V důsledku přehřátí vzniká malá změna v barvě výrobku ve srovnání s výchozí surovinou. Tento stupeň přehřívání nemá vliv na chuť a aroma. Zhnědnutím je způsobeno reakcemi při kterých z aminokyselin a redukujících cukrů vznikají melanoidiny, karamelizací v důsledku tepelného rozkladu cukrů, a také enzymatickými reakcemi spojenými s oxidací polyfenolických sloučenin. Nejběžnější způsob omezení reakcí zhnědnutí je sulfitace (síření SO2) rostlinných materiálů před sušením. Také se používá i zpracování produktů před sušením v roztoku askorbové nebo citrónové kyselině o koncentraci 0,1%. Popálení - výsledek silnějšího přehřátí, ovlivňuje chuť a redukční vlastnosti, nutriční hodnotu vysoušených produktů. Kritickou teplotu popálení lze zvýšit o 5-100C, pokud se před sušením výrobek podrobí sulfitaci. Změnu barvy výrobku ovlivňuje nejen teplota, ale i doba ohřevu. Barva produktů při sušení se může také změnit kvůli oxidační reakcí, zejména pokud se čištěné suroviny uchovávaly dlouho. 6.3 Zatvrdnutí Při sušení rostlinného materiálu lze pozorovat takový jev, že v určité fázi proces sušení prakticky zastaví. To je způsobeno tím, že na povrchu výrobku se tvoří tvrdá kůra, prakticky nepropustná pro vlhkost. Kvůli ní se vlhkost nemůže odpařit z povrchu výrobku, ale produkt zůstává uvnitř mokrým. Aby k tomu nedocházelo, ovoce, sušené celé nebo ve velkých kusech, se v počátečním období sušení při vysoké relativní vlhkosti suší při poměrně nízké teplotě sušicího média. Je-li potraviny jsou nakrájené na malé kusy, povrchového tvrdnutí nenastane. 6.4 Snížení rehydratační schopnosti Sušené výrobky se obvykle používají v rehydratovaném (vlhkém) stavu. Doba trvání a stupeň rehydratace výrobků, vysoušených tradičními metodami, se často ukazují jako nedostatečné. Nejlepší rehydratační vlastnosti mají produkty, vysoušené pomocí sublimačního sušení. Snížení rehydratační schopnosti je způsobeno nevratným přehřátím výrobku. To může také probíhat bez jakýchkoliv viditelných změn v barvě (zhnědnutí). To je způsobeno různými změnami hlavních složek sušeného materiálu v důsledku odstraňování fyzikálně chemické vody. Mezi nejvýznamnější změny patří: tuhnutí amylopektinu, pektinu a bílkovin. V první řadě, koloidní nezvratnost sušených produktů způsobuje tepelná koagulace bílkovin. 6.5 Ztráta těkavých (vonných) látek Při sušení odpařovaná vlhkost sebou odnáší těkavé složky z výrobků. V důsledku toho, sušené produkty ztrácejí chuť a aroma. Obsah těkavých látek odváděných s vlhkostí závisí na změně teploty výrobku během sušení, stejně jako na tlaku páry těkavých složek při dané teplotě. Důležitá je také rozpustnost těkavých látek ve vodě a jiných látkách vysoušeného materiálu. 6.6 Ztráta vitaminů Vitamíny jsou velmi labilní a citlivé na změny teploty a na vliv kyslíku. Zvláště citlivý je vitamín C, který ještě k tomu se znehodnocuje působením světla.
Na úroveň ztráty vitamínů má velký vliv stupeň rozmělnění materiálu a také uchování čištěné suroviny ve vodě nebo na vzduchu při přípravě rostlinného materiálu k sušení. 7. Závěr Sušení je významným a často lepším způsobem prodloužení trvanlivosti rostlinných produktů, které jsou důležitým zdrojem vitaminů a minerálních látek a v důsledku obsahu velkého množství vody podléhají rychlé zkáze. Kromě toho je většina rostlinných materiálů citlivých na způsob zpracování. Proto často je třeba určit režim sušení pro každý produkt individuálně. Sušením se výrazně snižují náklady na balení, přepravu a skladování. Na základě uvedeného, je vývoj sušicích zařízení velmi slibným směrem. Cílem mojí další práce bude prozkoumat problematiku procesu sušení, hledat možnosti zrychlení procesu sušení potravinářských výrobků takovým způsobem, aby se maximálně uchovávala základní kvalita a táž uchovat nebo zlepšit jejích chuťové vlastnosti. Plánuji provést oscilační režim sušení se střídavým dodáváním studeného a horkého vzduchu a také použít způsob periodického prohřátí produktu infračerveným ozářením. Náplní mojí další práce bude také analýza existujících vztahů určování rychlosti a doby sušení na základě výsledků reálných experimentů sušení následujících produktů: meruňky, švestky, králíček, brambory, mrkev apod. Možnost maximálně přesně určit teoretickou dobu sušení, bez potřeby provedení experimentů a vyhledávaní nesčíslného množství údajů z tabulek atp., což potřebuje hodně času, velmi závisí na osobních zkušenostech a je zejména důležité při projektování sušáren širokého použití. Navrhuji sestrojit kombinovanou konvektivně-radiační sušárnu na základě laboratorní konvektivní sušárny. Konvektivně-radiační sušení spočívá v kombinaci ohřívání infračervenými paprsky s dodáním vzduchu. Sušicí předmět je vyhřívaný zevnitř (ve hloubce kolem 6-7 mm od povrchu) více rovnoměrně a intenzivněji, než je při konvektivním způsobu. Doba sušení se zkracuje a zmenšují se náklady na energie. Výrobek vychází kvalitnější. S cílem většího zdokonalení sušárny a probíhajících v ní procesů sušení, navrhuji ještě instalovat absorpční filtr nebo filtry, aby se snížila vlhkost sušicího média a tím se zrychlil proces sušení.
Seznam symbolů [m2s-1]
a
součinitel teplotní vodivosti
C
konstanta
c
měrná tepelná kapacita
[J.kg-1K-1]
cA
měrná tepelná kapacita suchého vzduchu
[J.kg-1K-1]
cv
měrná tepelná kapacita vodní páry
[J.kg-1K-1]
D
difuzivita (součinitel objemové molekulární difuze)
[m2s-1]
h
měrná entalpie
[J.kg-1]
hA
měrná entalpie vlhkého vzduchu
[J.kg-1]
hS
měrná entalpie sušeného materiálu
[J.kg-1]
Iw
výparné teplo vody
[-]
[J.kg-1K-1]
kv
koeficient objemového smrštění
[-]
L
charakteristický rozměr
[m]
MA molekulová hmotnost suchého vzduchu
[-]
MW molekulová hmotnost vody
[-]
& M
hmotnostní průtok
[kg.s-1]
MA
hmotnostní průtok vzduchu
[kg.s-1]
MS
hmotnostní průtok sušeného materiálu
[kg.s-1]
m
hmotnost vody
[kg]
ms
hmotnost sušiny
[kg]
mv
hmotnost vlhkého materiálu
[kg]
m &
hustota hmotnostního toku
Nu
Nusseltovo číslo
pA
parciální tlak suchého vzduchu
[Pa]
pv
parciální tlak vodní páry
[Pa]
pv//
tenze sytých pár
[Pa]
Pr
Prandtlovo číslo
[-]
& Q
tepelný výkon
q&
hustota tepelného toku
Re
Reynoldsovo číslo
[-]
Sc
Schmidtovo číslo
[-]
Sh
Sherwoodovo číslo
[-]
TA
teplota vzduchu
[K]
Tdp
teplota rosného bodu
[K]
Twb teplota mokrého teploměru
[K]
t
teplota
[0C]
tA
teplota vzduchu
[0C]
u
rychlost sušení
[s-1]
[kg.m-2.s-1] [-]
[W] [W.m-2]
umax maximální rychlost sušení
[s-1]
V
[sm3]
objem
[sm3]
VS
objem absolutně suchého materiálů
w
rovnovážná vlhkost
& W
hmotnostní průtok odpařené vody
XA
měrná vlhkost vzduchu
[kg.kg-1]
XS
měrná vlhkost sušeného materiálu
[kg.kg-1]
α
součinitel přenosu tepla
β
součinitel přenosu hmoty
[m.s-1]
β´
modifikovaný součinitel přenosu hmoty
[m.s-1]
g
úhel
[rad]
j
relativní vlhkost vzduchu
[%]
λ
součinitel tepelné vodivosti
ν
kinematická viskosita
[m2s-1]
ρ
hustota
[kg·m-3]
ρv
hmotnostní koncentrace vodní páry
[kg·m-3]
ρv"
maximální možná koncentrace páry v nasyceném vzduchu
[kg·m-3]
t
doba sušení
w
rel.vlhkost sušeného materiálu (hmotnostní podíl vody)
[kg.kg-1] [kg.s-1]
[W.m-2.K-1]
[W.m-1.K-1]
[min] [%]
Seznam použité literatury 1. Kasatkin, A. G.: Osnovnyje processy i apparaty chimičeskoj technologii, Moskva: Chimija, 1971, 783 s. 2. Kisjeljova, T.F.: Tjehnologija suški, KTIPP: Kjemjerovo, 2007, 117 s. 3. Kodanašvili, V., Balančivadze, G.: Základní procesy chemické technologie, Tbilisi: 1963. 4. Kowalski, S.: Thermomechanics of drying proceses, Berlin : Springer, 2003, 365s.: 176 il. 5. Lykov, A.V.: Tjeorija suški, Moskva:¨Energia¨, 1968, 472 s. s ill. 6. Mujumdar, A. S.: Handbook of industrial drying I, New York : Dekker, 1995, 742 s. 7. Pěnička, M.: Aplikace sušárny v potravinářském průmyslu, Diplomová práce, ČVUT: Praha 2008, 80 s. 8. Rieger, F., Šesták, J.: Přenos hybnosti, tepla a hmoty, Praha: Vydavatelství ČVUT, 1993, 299 s. 9. Sažin, B. S.: Osnovy techniki suški, Moskva: Chimija, 1984, 320 s.: ill. 10. Šesták, J., Žitný, R.: Tepelné pochody II., Praha: Vydavatelství ČVUT, 1997, 165 s. 11. Tavartkqiladze, I.: Matematické modelování chemických technologických procesů, Tbilisi: 1995. 12. Zvoníček, J.: Sušárny, Praha: České vysoké učení technické, 1966 dotisk, 102 s.: il.
