Проведено дослідження взаємодії препарату «Біфідумактерін» з водою. Для отримання залежності рівноважної вологості від активності води використовувався тензометричний метод Ван Бамелена. Відносна помилка при вимірюванні активності води Aw не перевищувала 6,8%. На основі аналізу ізотерм сорбції отримані залежності вільної та зв'язаної енергій від рівноважної вологості Up при сорбції препарату «Біфідумбактерин». Отримано залежність термоградіентного коефіцієнта? P від ​​вмісту вологи Up. Використання кондуктивного енергоподвода недоцільно через швидку усадки, стеклования і, внаслідок високої адгезії, складності відділення сухого продукту від поверхні «підкладки», а також у зв'язку з тим, що термоосмотіческій ефект сприяє більш швидкому руйнуванню пінної структури. Термоосмотіческій ефект визначає доцільність об'ємних способів енергоподвода (ІК, СВЧ). Бібліогр. 9. Іл. 3.

Анотація наукової статті з хімічних технологій, автор наукової роботи - Єрмолаєв Віталій Віталійович, Алексанян Ігор Юрійович, Давидюк Валерій Володимирович


The researches of interaction of a preparation "Bifidumbacterin" with water are carried out. To receive dependence of equilibrium humidity on the activity of water the tensometric method by Van Bamelen is used. The relative error in measuring the activity of water Aw did not exceed 6,8%. On the basis of the analysis of sorption isotherms the dependences of free and bound energies on equilibrium humidity Up are received at sorption of the preparation "Bifidumbacterin". The dependence of thermogradient factor? P on specific humidity Up is received. The use of conductive energy supply is inexpedient because of fast shrinkage, glass transition and, owing to high adhesion, complexity of separation of the dry product from the surface of "substrate", and also owing to the fact that the thermoosmosis effect promotes faster destruction of foamy structure. The thermoosmosis effect defines expediency of volumetric ways of energy supply (infra-red, the microwave).


Область наук:

  • хімічні технології

  • Рік видавництва: 2007


    Журнал: Вісник Астраханського державного технічного університету


    Наукова стаття на тему 'Аналіз механізму взаємодії препарату «Біфідумбактерин сухий» з водою'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз механізму взаємодії препарату« Біфідумбактерин сухий »з водою»

    ?УДК 66.047.2: 663.1

    В. В. Єрмолаєв, І. Ю. Алексанян, В. В. Давидюк Астраханський державний технічний університет

    АНАЛІЗ МЕХАНІЗМУ Взаємодія ПРЕПАРАТУ «БІФІДУМБАКТЕРИН СУХИЙ» З ВОДОЮ

    Дослідження характеру взаємозв'язку препарату з водою

    Без визначення гігроскопічних характеристик - вивчення статики процесів сушіння -невозможен обгрунтований аналіз кінетики, визначення технологічних обмежень, рушійної сили, напрямки процесів і розрахунок ряду термодинамічних параметрів, важливих при моделюванні процесів влагоудаленія, пов'язаних з визначенням змісту і активності води в об'єктах дослідження [1-3 ].

    Для отримання залежності wp = f (Aw) використовувався тензометричний метод Ван

    Бамелена. Це, по суті, статичний метод, згідно з яким зразки матеріалу із заздалегідь визначеним рівнем вмісту вологи витримувалися в ексикаторах над водним розчином сірчаної кислоти. Відомої концентрації розчинів відповідає при даній температурі певний парціальний тиск пара, т. Е. Відповідне значення Aw активності води (аналог відносної вологості повітря ф). Зразки періодично зважувалися на аналітичних вагах до досягнення постійної маси, при якій вологість грунтів відповідає рівноважної.

    Експерименти проводили при трьох повторностях. Використовувалися попередньо відградуйовану мірні колби, необхідну кількість води визначалося виходячи з виразу

    тн = --- X m, (1)

    н 100 з

    де тн - необхідна маса води, г; сс - концентрація сірчаної кислоти,%; сн - необхідна концентрація сірчаної кислоти,%.

    Зважування зразків проводили за допомогою електронних ваг з точністю до 0,0001. Для аналізу механізму взаємодії з водою експериментально досліджували гігроскопічні характеристики зразків препарату «Біфідумбактерин», висушені методом вакуумної пеносушкі.

    Відносна помилка при вимірюванні активності води Aw, що залежить від температури, діапазону вимірювань, не перевищувала 6,8%. Згідно статистичному аналізу, в результаті експериментів середньоквадратичне відхилення визначення рівноважної вологості Up S (U n)? 0,0107кг / кг; довірчий інтервал для середньої оцінки вимірюваної величини Up, визначений за критерієм Стьюдента tan, залежному від числа ступенів свободи f = n - 1 (n = 3 - число повторностей) і прийнятого рівня значущості (р < 0,05); відносна похибка середнього результату є < 14%.

    На рис. 1, а наведені ізотерми сорбції препарату «Біфідумбактерин» при різних температурах. Відповідно до класифікації БЕТ (С. Брунауера, Л. Демінг, В. Демінг, Р. Еммет, Б. Теллер) ізотерми препарату «Біфідумбактерин» можна віднести до III типу, як і ізотерми зі значним впливом на сорбційну активність різних полярних груп [1] . Молекули води є сильними диполями, і при взаємодії з полярними групами електронна пара водню зміщується до електронегативний атомів азоту і кисню. Внаслідок цього близько поверхні молекул препарату утворюється електричне поле, завдяки якому молекули води специфічно орієнтуються. Згідно [1], можна припустити, що вода сорбируется НЕ шарами, а як би «кистями» молекул, при цьому проходить об'ємне заповнення сорбційних центрів з різними енергетичними потенціалами, після закінчення заповнення яких утворюється умовний «мономолекулярний» шар «зшиває» молекулярну структуру [ 4].

    Аналізуючи ізотерми сорбції препарату «Біфідумбактерин» (рис. 1, а) можна виділити 6 характерних ділянок. Внаслідок освіти міцних гідратних комплексів при орієнтаційної гідратації (на ділянці ір від 0 до 0,0467 кг / кг (рис. 1, а) до 1-ї точки перегину) сорбційна здатність препарату слабо залежить від температури. Далі, на ділянці ір від 0,0467 до 0,1571 кг / кг, зважаючи на збільшення кількості адсорбованої вологи [1, 4] відбувається Полімія-лекулярная адсорбція. При подальшій сорбції спостерігається слабке набухання внаслідок аморфизации і сорбційної усадки. На ділянці ір > 0,2441 кг / кг присутня сильна набухання і часткове розчинення, що пояснюється наявністю клітинних оболонок, які передбачають осмотический механізм сорбції [1, 2, 5, 6].

    У полулогарифмических координатах ізотерма 1п ЛЧ, = Дір) представлена ​​на рис. 1, б. Логарифмування доцільно і з точки зору математичної інтерпретації ізотерм, крім того, це значно спрощує математичну обробку через лінеаризації залежностей [1].

    Доцільною для процесу зберігання є вологість продукту [4], відповідна утворенню «моношару» (для препарату «Біфідумбактерин» ір = 0,1 кг / кг). Тут волога найбільш сильно пов'язана з матеріалом, отже, біологічна активність мікроорганізмів мінімальна.

    При лінійної апроксимації залежності активності води від температури і вологос-тримання отримаємо

    1П Л = (АГТ + Ь, Рр + (СГТ + й,) (2)

    де а, Ь ,, с, й - емпіричні коефіцієнти; / - порядковий номер зони (ділянки ізотерми).

    Коефіцієнти а, b, с, й, отримані експериментально для кожної зони, зведені в табл. 1.

    Таблиця 1

    емпіричні коефіцієнти

    Г раніцах зон Коеффіч ціент і < 0,02348 1 = 1 0,02348 < і < 0,02955 1 = 2 0,02955 < і < 0,4670 1 = 3 0,04670 < і < 0,09110 1 = 4 0,09110 < і < 0,1571 1 = 5 0,1571 < і < 0,4234 (= 6

    а 5,178000 0,368450 -0,569500 ​​0,0780800 -0,031500 -4,8 х 103

    Ь 1,396 х 103 80,678150 214,959510 -8,471650 14,219500 2,301400

    з -0,140400 -0,035500 0,017700 -0,012500 5,01 х 104 -1,5 х 104

    й 35,638200 3,417500 6,562100 1,962500 -1,060500 -0,282050

    У точках перегину на ізотермах сорбції відбувається, на думку ряду дослідників [7, 8], зміна переважного впливу того чи іншого механізму сорбції. Таким чином, в точках перегину відбувається якісна зміна форми зв'язку вологи, що видаляється з превалюванням осмотической, иммобилизационной, структурної зв'язку.

    Дослідження термодинаміки внутрішнього масопереносу при взаємодії препарату «Біфідумбактерин» з водою

    З огляду на знаходження діапазону вологості при сушінні в гигроскопической області, форма і енергія зв'язку вологи з препаратом визначають механізм масопереносу при зневодненні. Різниця хімічних потенціалів ДЦ перенесення вологи [2], яка залежить від вологості U і температури T, є рушійна сила сорбції.

    У ізохорно-ізобарно-ізотермічному процесі, якщо знехтувати роботою розширення пара, ДЦ дорівнює [9] диференціального зміни вільної енергії Гельмгольца

    Am =

    c) af

    еu "

    (З)

    За умови, що пар підпорядковується закону ідеальних газів [2], величина | ^ | в Термодім-

    динаміці необоротних процесів приблизно пропорційна ln Aw:

    R - T V ln A .

    T

    Так як енергія зв'язку вологи з матеріалом E дорівнює:

    E =

    ЕU

    = -R T ln A

    (4)

    (5)

    її можна прийняти за потенціал влагопереноса.

    Використовуючи рівняння ізотерм сорбції (2), отримаємо рівняння для ДЦ. Продифференцировав рівняння Гіббса - Гельмгольца, отримаємо

    еu

    р Jt p

    V ЕUP

    V р Jt, p

    T-

    V еuP

    V р Jt, p

    (Б)

    де AE, AS - відповідно зміни внутрішньої енергії (ентальпії) і ентропії по Up при P, T = const.

    Продифференцировав вираз (6) за T, отримуємо вираз для диференціального зміни ентропії зв'язаної води.

    З урахуванням (3) і (4)

    '' _ (DdmnAw)

    ДГ

    еuP

    V р Jt, p

    (7)

    отже,

    еu

    = - R - [(2a T + b) Up + (2c T + dt)].

    (8)

    V p Jt, p

    ЕAE

    \

    вираз

    Е1.

    p Jt, p

    Плов ефекту) сорбції.

    визначає диференціальне зміна внутрішньої енергії (ті-

    На рис. 2 для препарату «Біфідумбактерин» представлені відповідно залежності

    ді

    ; Т •

    р Jт р

    ЕІ

    для 6-ти ділянок сорбції.

    кДж / кг

    Мал. 2. Залежність вільної

    г ЕА ^ ^ ЕІ Р

    V Р J

    (Т ЕАБ Л

    (I) енергії від вологості ір

    (II), пов'язаної

    при сорбції препарату «Біфідумбактерин»: 1 - Т = 293 К; 2 - Т = 313 К Аналіз отриманих результатів дозволяє зробити ряд висновків.

    1. Значення диференціального зміни вільної енергії

    ЕА? _ ЕІ Р

    : Про в усій області,

    що підтверджується дослідженнями з кінетики вологопоглинання, що показують, що препарат має високу гігроскопічність.

    2. Зменшення ентропійному складової (диференціального зміни ентропії) на двох перших ділянках, як видно на рис. 2, свідчить про те, що вода при цьому специфічно орієнтується, утворює водневі зв'язки між собою і молекулами препарату «Біфі-думбактерін», т. Е. Її можна розглядати як сильно структуровану.

    Надалі ентропійна складова безперервно падає, асимптотично наближаючись до певного значення, і на останній ділянці сорбція визначається чисто Ентре-

    пійним фактором, причому величина Т •

    ЕІ

    має позитивне значення.

    V Р Jт, р

    У більшості харчових і кормових продуктів диференціальне зміна пов'язаної енергії завжди має негативну величину, асимптотично наближаючись до нуля при збільшенні ір, крім того, ентропійний член дуже малий у порівнянні зі зміною внутрішньої енергії [1, 8], що можливо при значній гнучкості молекул, наявності замкнутих осередків (закритих рідинними менисками капілярів і клітинних оболонок).

    Як відомо, в диференціальне рівняння переносу тепла [2] входить теплота випаровування р При видаленні вологи, пов'язаної з матеріалом, г представляється як сума теплоти пароутворення вільної води ґ і гсм теплоти змочування, яка визначається диференціальним

    зміною вільної енергії изотермического зневоднення. Теплота змочування чисельно дорівнює роботі відриву одного благаючи води від матеріалу при т = const. Згідно з довідковими даними, функція r '= АГ) є лінійною в діапазоні т = 297-353 К (діапазон т в процесі сушіння препарату «Біфідумбактерин»). На основі цього отримана залежність виду

    r = -228б, бб | т + 3118458,1,

    де r - теплота пароутворення, Дж / кг; т - температура, К.

    Згідно [2],

    (9)

    ЕІ

    = -Am = -R | т | ln Aw, Дж / моль.

    (10)

    p J

    Наведемо рівняння (10) до такого виду, щоб розмірності г 'і гсм збігалися. З огляду на, що молярна маса води дорівнює 0,018 кг, отримаємо величину гсм в Дж / кг у вигляді

    1

    0,018

    | (- R | т | ln Aw) = -55, (5) | R | т | ln Aw.

    (11)

    Таким чином, кількість тепла для випаровування 1 кг вологи з урахуванням ентропійному складової одно:

    Е (М)

    r = r + r + r

    см ент

    3118,4581 | 103 -228б, бб| т -55, (5) | R | т | lnAw + 55, (5) | т |-

    ЕІ,

    (12)

    З метою вибору раціональних режимів енергоподвода і аналізу рушійних сил в процесі сушіння отримаємо функціональну залежність термоградіентного коефіцієнта масо-переносу від і і Т.

    При наявності температурного градієнта необхідно враховувати ефект Сорі.

    Термоградіентний коефіцієнт 5К, введений в теорію А. В. Личаним [2], є складовою відносного коефіцієнта термодифузії 5. Тут 5К є термодинамічної характеристикою і дорівнює 5 тільки в разі відсутності влагообмена, т. Е. При гігротер-номічному рівновазі:

    5 p = Cm |

    ЕAm

    ~ дт

    (13)

    У і = const

    де Cm =

    ЕІ

    л

    3Am Jт = const Таким чином,

    З урахуванням (3)

    питома изотермическая влагоемкость матеріалу.

    5 p =

    ЕAm

    Ет

    ЕІ

    ЕAm

    / т

    ГJ = R | [(2a, | т + b,) | ір + (2c, • т + d,)].

    (14)

    (15)

    Вираз (15) є диференціальним зміною ентропії сорбції і називається температурним коефіцієнтом.

    отже,

    Up =

    Am,

    (C, | т2 + d, | т) ГЕUp ^

    R (a, | т2 + bt | т) (a, | т2 + bt | т) '{ЕAm J R (at | т2 + bt | т)

    1

    (1б)

    'см

    т

    r =

    см

    і

    Таким чином,

    (2аг 'Т + Ьі)' Цр + (2С, 'Т +)

    (А • т2 + ь, • т)

    (17)

    де Л = 8,314 - універсальна газова постійна, Дж / (моль-град).

    На рис. 3 представлені результати обчислень 5р по (17) для 6-ти ділянок сорбції. Вид залежності екстремальний. Дифузія вологи при наявності еффузіі [1] (кнудсеновского течії) ускладнена зменшенням еквівалентних радіусів і розгалуженням мережі мікрокапілярів в процесі сушіння і як би їх закупоркою, що зумовлює з метою інтенсифікації масо-обміну доцільність збільшення поверхні влагообмена і зменшення контактів між окремими частинками для виключення стеклования і агломерації частинок. Це може бути досягнуто за рахунок ефективного диспергування препарату в сушильній камері або попередньої аерації розчину і його сушінням у спіненому стані.

    5р, 1 / К

    ір, кг / кг

    Мал. 3. Залежність термоградіентного коефіцієнта 5р від вмісту вологи ір при сорбції препарату «Біфідумбактерин»: 1 - Т = 293 К; 2 - Т = 313 К

    Аналізуючи експериментальні дані, можна зробити такі висновки.

    Використання кондуктивного енергоподвода недоцільно через швидку усадки, стеклования і, внаслідок високої адгезії, складності відділення сухого продукту від поверхні «підкладки», що може привести до так званого «козлованію» шару. Термоосмотіческій ефект визначає доцільність об'ємних способів енергоподвода (ІК, СВЧ). Використання кондуктивного енергоподвода недоцільно, т. К. Термоосмотіческій ефект сприяє більш швидкому руйнуванню пінної структури (постановочні експерименти по сушці у спіненому стані препарату говорять про правильність перерахованих вище висновків).

    Аналіз зміни термодинамічних складових рівняння Гіббса - Гельмгольца для ізохорно-ізобарно-ізотермічного процесу показує, що ентропійна складова вільної енергії для препарату «Біфідумбактерин» відіграє значну роль, свідчить про наявність напівпроникних мембранних оболонок (клітинні оболонки, стінки капілярів) і ориентационном, структурному (іммобілізаційному ) і осмотическом механізмі їх взаємодії з водою. Негативне значення вільної енергії у всій області свідчить про сильному набряканні і частковому розчиненні при великих значеннях активності води [1, 2, 8].

    5

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Алексанян І. Ю., Буйнов А. А. Високоінтенсивна сушка харчових продуктів. Пеносушка. Теорія. Практика. Моделювання. - Астрахань: Вид-во АГТУ, 2005. - 304 с.

    2. Ликов А. В. Теорія сушки. - М .: Енергія, 1968. - 472 с.

    3. Муштай В. І., Ульянов В. М. Сушка дисперсних матеріалів. - М .: Хімія, 1988. - 376 с.

    4. Буйнов А. А., Гінзбург А. С., сироїди В. І. Гігроскопічні властивості рибних білкових гідролізатів, висушених у спіненому стані // Изв. вузів СРСР. Харчова технологія. - 1977. - № 5. - С. 87-90.

    5. Глінка Н., Робінзон А. Вологість і її визначення / Зберігання зерна і зернових продуктів. - М .: Изд-во ін. літ-ри, 1956.

    6. Воюцкий С. С. Курс колоїдної хімії. - М .: Хімія, 1976. - 512 с.

    7. Єгоров Г. А., Щеголева А. І. Термодинамічні характеристики вологого крохмалю і пшениці // Изв. вузів СРСР. Харчова технологія. - 1974. - №. 4. - С. 21-24.

    8. Взаємодія целюлозних матеріалів з водою / С. П. Попков і ін. - М .: Хімія, 1976. - 212 с.

    9. Гінзбург А. С., Громов М. А., Красовська Г. І. Теплофизические характеристики харчових продуктів. -М .: Піщ. пром-сть, 1985. - 336 с.

    Стаття надійшла до редакції 27. й й .200б

    THE ANALYSIS OF THE MECHANISM OF INTERACTION OF A PREPARATION "BIFIDUMBACTERIN DRY"

    WITH WATER

    V. V. Ermolaev, I. Yu. Aleksanyan, V. V. Daviduk

    The researches of interaction of a preparation "Bifidumbacterin" with water are carried out. To receive dependence of equilibrium humidity on the activity of water the tensometric method by Van Bamelen is used. The relative error in measuring the activity of water Aw did not exceed 6,8%. On the basis of the analysis of sorption isotherms the dependences of free and bound energies on equilibrium humidity Up are received at sorption of the preparation "Bifidumbacterin". The dependence of thermogradient factor 8p on specific humidity Up is received. The use of conductive energy supply is inexpedient because of fast shrinkage, glass transition and, owing to high adhesion, complexity of separation of the dry product from the surface of "substrate", and also owing to the fact that the thermoosmosis effect promotes faster destruction of foamy structure. The thermoosmosis effect defines expediency of volumetric ways of energy supply (infra-red, the microwave).


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити