Экстракция 

Экстракция – процесса избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из растворов или твердых тел с помощью жидкого растворителя – экстрагента. Если вещество извлекается из жидких систем, то процесс называется жидкостной экстракцией.

В микробиологической промышленности с помощью экстрагентов извлекают молочную кислоту и антибиотики из ферментативных растворов.

В пищевых производствах экстрагированию чаще подвергают сырье растительного происхождения, например семена масличных культур, сахарную свеклу, фрукты и т.п. Но эти процессы лучше назвать избирательным растворением или выщелачиванием.

В общем виде процесс экстрагирования растительного сырья можно разбить на 4 стадии:

-         проникновение эктрагента в поры растительного сырья;

-         растворение извлекаемого вещества экстрагентом;

-         диффузионный перенос извлекаемого вещества к поверхности куска или частицы сырья;

-         перенос извлекаемого вещества с поверхности сырья в жидкую фазу – экстрагент.

В зависимости от вида перерабатываемого сырья отдельные стадии процесса могут отсутствовать вовсе, но чаще от скорости переноса на одной из стадий зависит скорость процесса в целом.

Расчет процессов экстрагирования выполняют, исходя из основного уравнения массопередачи. Количество извлекаемого вещества, например, при экстрагировании свекловичной стружки зависит от скорости внутренней диффузии и определяется по следующему уравнению:

М = (D_вн/L) F ΔC τ,                                                                                  (42)

где D_вн – коэффициент внутренней «стесненной» диффузии, м²/с; L – определяющий размер (для стружки это толщина), м; F – суммарная поверхность стружки, м²; ΔC – разность между средней концентрацией вещества внутри стружки и средней концентрацией вещества в растворе, окружающем стружку, кг/м³; τ – продолжительность процесса, с.

Процесс жидкостной экстракции основан на распределении извлекаемого вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешивающихся растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения

Кр = Сэ/Своды = const                                                                          (43)  

После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в перерабатываемой растворе. После экстракции раствор и насыщенный экстрагент разделяются. Затем сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Этот процесс называется реэкстракция. Экстрагент после этого используется вновь в технологическом процессе.

 Сушка 

Сушка – удаление влаги из материалов (продуктов, изделий) при их подготовке к переработке, использованию или хранению. Сушка обеспечивает сохранность зерна в сельском хозяйстве, увеличивает сроки хранения изделий (сухари, сахар). Она может быть включена в технологический процесс для придания перерабатываемым полуфабрикатам и изделиям определенного качества.

Сырье и материалы, подвергаемые сушке в пищевой промышленности, можно разделить на две группы: твердые кристаллические тела – сахар, лимонная кислота, поваренная соль и т.п., и коллоидно-дисперсные системы, которые в свою очередь А.В.Лыков предложил разделить на три подгруппы: 1) эластичные тела-тела, которые при обезвоживании сжимаются, но сохраняют эластичность (прессованное мучное тесто, изделия на основе агар-агара (пастила, зефир) и желатин (мармелад); 2) хрупкие тела – тела, которые после сушки становятся хрупкими (керамика и т.д.); 3) коллоидные капилярно-пористые тела (хлеб, зерно и т.п.).

Различные тела неодинаково взаимодействуют с содержащейся в них влагой, по-разному ее связывают. Академик П.А.Ребиндер предложил классификацию форм связи влаги на основе энергии связи:

а) механическая – влага смачивания, содержащаяся в капиллярах и микрокапиллярах. Эта форма связи наименее прочная, такую влагу можно удалить путем механического воздействия, например, прессованием или в центрифуге;

б) физико-химическая форма связи – адсорбционная, осмотическая и структурная влага, содержащаяся в клетках и микрокапиллярах. Для разрушения этой формы связи требуется намного больше энергии. Для ее удаления требуется ее испарение;

в) химическая форма связи наиболее прочная. Это ионная связь (NаОН) и вода в кристаллогидратах (СuSO₄ . 5H₂O). Эта связь может быть разрушена либо путем химического воздействия, либо нагревом до высоких температур – прокаливанием.

Анализируя виды связи влаги с материалом, можно сделать вывод, что сначала целесообразно удалить влагу из материала механическим способом и только затем перейти к тепловой сушке.

Самый распространенный способ тепловой сушки – конвективный. В этом способе осуществляется конвективный перенос теплоты от нагретого сушильного агента к материалу. В качестве сушильных агентов используются топочные и инертные газы, а также воздух. Сушильный агент выполняет и вторую, не менее важную задачу – поглощает образовавшийся водяной пар и выводит его из сушилки. Таким образом, интенсивность процесса зависит от скорости переноса массы этой влаги в сушильный агент. Самым распространенным сушильным агентом является предварительно подогретый воздух.

Другие способы тепловой сушки, например, кондуктивный или контактный, когда материал нагревается при непосредственном контакте с поверхностью сушилки или сушка в инфракрасных лучах, как правило, комбинируют с конвективным способом.

 Кристаллизация  

Кристаллизация – выделение вещества из жидкой фазы, расплавов или паров в виде твердой фазы (кристаллов).

Поведение системы кристалл-раствор или кристалл-расплав в широком интервале температур, давлений и концентраций отображает диаграмма состояния, или фазовая диаграмма, на которой графически изображается равновесие между различными фазами данной системы (рис. 9).

 Линия FS на диаграмме является геометрическим местом точек, соответствующих насыщенным растворам, а линия SD – находящимся в равновесии со льдом. Таким образом, линия FS является кривой растворимости NH₄Cl в воде, а линия SD соответствует условиям выделения льда в системе соль-вода. Точка S является эвтектической точкой системы, в которой раствор находится в равновесии с двумя твердыми фазами: солью и льдом. В водных системах эвтектическую смесь называют криогидратом, а саму точку – криогидратной точкой.

Процесс кристаллизации состоит из двух последовательных стадий: образование зародышей кристаллов и рост кристаллов. Образование зародышей происходит в пересыщенных растворах, когда пересыщение достигает определенной величины. Разность между концентрацией раствора, при котором начинают образовываться зародыши, и концентрацией насыщенного раствора, называют максимальным пересыщением. После возникновения в пересыщенном растворе зародышей кристаллов с размерами большими критических (нерастворимых в пересыщенном растворе), на их поверхности начинает отлагаться кристаллическое вещество. Рост кристаллов, образование зародышей во многом зависят от температуры и интенсивности перемешивания.

Процесс кристаллизации ведется в специальных кристаллизаторах, о конструкции которых вам расскажут на лекциях по процессам и аппаратам пищевых производств.