Что такое «коэффициент внутренней диффузии»?

Как известно, растительная клетка содержит внутриклеточную жидкость, окруженную сложной оболочкой (вакуоль). Последняя состоит из двух мембран, между которыми находится протоплазма. Перенос вещества из внутриклеточной жидкости за пределы клетки происходит за счет молекулярной диффузии через эту многослойную оболочку. Внутри стружки клетки плотно окружены другими клетками. Вещество из внутренних клеток должно продиффундировать через эти клетки. Предельно упрощенная картина переноса внутри измельченного сырья свидетельствует о большом сопротивлении внутренней диффузии. Для уменьшения сопротивления измельченное сырье подвергают тепловой или химической обработке.

Следует учитывать, что из-за малых размеров клеток и еще более мелких размеров пор, по которым переносится вещество, скорость молекулярной диффузии даже после предварительной обработки сырья намного меньше, чем скорость молекулярной диффузии этого же вещества в чистой жидкости. Поэтому Д называют коэффициентом стесненной диффузии или коэффициентом массопроводности.

Во втором случае скорость внутренней диффузии превышает скорость внешней. Уравнение массопередачи для внешнего переноса имеет вид;

,

где Д_ВШ – коэффициент внешней диффузии, м²/с;

δ – толщина пограничной пленки, м;

∆С – разность между средней концентрацией извлекаемого вещества на границе твердого тела с площадью поверхности F и жидкости и средней концентрацией в окружающей жидкости, кг/м³.

В третьем случае скорости внешней и внутренней диффузии соизмеримы. При этом следует учитывать оба переноса

,

,

где С₁, С₂, С₃ – средние концентрации соответственно в твердом теле, на границе твердое тело – жидкость и в окружающей твердое тело жидкости, кг/м³.

Решив эти уравнения относительно разности концентраций и сложив их, получим для расчетов уравнение в виде:

,

где β – коэффициент массоотдачи, который рассчитывается по соответствующим критериальным уравнениям.

Если вещества извлекаются из жидких систем, процесс называют жидкостной экстракцией. В микробиологических производствах с помощью экстрагента извлекают молочную кислоту и антибиотики из ферментативных растворов. При этом экстрагент и жидкость, содержащая извлекаемые компоненты, должны обладать различной плотностью и не должны растворяться. Благодаря этим свойствам, образованная неоднородная система легко разделяется. Строго говоря, под определение экстракции попадают и процессы растворения с той лишь разницей, что при растворении твердое вещество может перейти в раствор полностью, а при экстракции всегда остается существенная часть твердого тела, нерастворимая в экстрагенте.

Растительное вещество перед экстрагированием дробят или разрезают на мелкие кусочки или стружку. При этом часть клеток повреждается и внутриклеточное вещество, например свекловичный сок в сахарном производстве, сразу переходит в экстрагент. Подавляющая часть клеток в куске остается целой, а извлекаемое вещество диффундирует через клеточные мембраны в экстрагент. Пренебрегая количеством вещества, перешедшего из разрушенных клеток, можно считать, что вещество из растительного сырья в экстрагент переносится за счет диффузии.

Процесс экстрагирования растительного сырья можно разбить на четыре стадии:

- проникновение экстрагента 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 сырья отдельные стадии процесса могут отсутствовать вовсе, но чаще от скорости переноса на одной из стадий зависит скорость процесса в целом.

Сушка

Сушка – процесс удаления влаги из материалов при их подготовке к переработке, использованию или хранению.

Различают сушку конвективную (в потоке инертного газа), контактную (при соприкосновении с нагретой поверхностью), сублимационную ( в вакууме), высокочастотную (диэлектрическим нагревом), радиационную (ИК – излучением).

Удаление влаги из материала может быть осуществлено разными способами. Механическим - прессованием или отжимом в центрифугах. Так удаляется влага пор и капилляров тела, т.н. несвязанная влага. Для полного удаления влаги применяют тепловые способы сушки, основанные на превращении влаги материала в пар с последующим удалением этого пара.

Сублимационная сушка.Сырье растительного или животного происхождения замораживают в скороморозильных аппаратах. Замороженное сырье помещают в сублиматор, герметично закрывают и создают в нем остаточное давление 44,4 – 199,9 Па. В замороженном состоянии удаляется из продукта от 85 до 95% влаги, продукт нагревается максимально до 35 – 50⁰С. Сушат сырье до остаточной влажности не более 5% в течение 6 – 12ч.

Низкие температуры процесса и отсутствие контакта материала с кислородом воздуха позволяют получить продукты высокой пищевой ценности, в которых хорошо сохраняются витамины, красящие вещества, сахара, форма ,объем, цвет , аромат и вкус.

Виды связи влаги с материалом

Сырье и материалы, подвергаемые сушке в пищевой промышленности, можно разделить на 2 группы: твердые кристаллические тела – сахар, поваренная соль, лимонная кислота и т. п. и коллоидно-дисперсные системы, которые А. В. Лыков предлагает тоже разделить на 3 группы – эластичные гели, тела, которые при обезвоживании сжимаются, но сохраняют эластичность ( мучное тесто, пастила, зефир, мармелад). Вторая группа – хрупкие гели – тела, которые после сушки становятся хрупкими (керамика), и третью группу составляют коллоидные капиллярно- пористые тела: хлеб, зерно и т.п.

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

а) механическая – влага смачивания, содержится в капиллярах и макрокапиллярах. Эта форма связи наименее прочная, ее можно удалить прессованием, центрифугированием.

б) физико-химическая форма связи – адсорбционная, осмотическая влага, структурная. Эта влага в клетках и микрокапиллярах. Для ее удаления влагу превращают в пар, для этого необходимо затратить значительное количество теплоты.

в) химическая форма наиболее прочная. Это ионная связь (KOH) и вода в кристаллогидратах (CuSO₄×5H₂O). Эта связь может быть разрушена путем химического воздействия или прокаливанием.

Кинетика сушки