Процеси і апарати харчових виробництв Електронний підручник
Головна Теоретичні відомості Лабораторні та практичні роботи Тести Додатки Список використаних джерел	6.3 Адсорбція
	1. Загальні відомості про адсорбцію. 2. Адсорбенти. Їх види і характеристика. 3. Адсорбери: класифікація, будова, принцип дії. Матеріальний баланс. 1. Загальні відомості про адсорбцію. Адсорбцією називається процес вибіркового поглинання одного або декількох компонентів з газової, парової або рідкої суміші твердою речовиною – адсорбентом. Речовина, яка поглинається з газу або рідини, називається адсорбтивом, а після її переходу в фазу адсорбента – адсорбатом. Поглинання під час адсорбції здійснюється поверхнею твердого пористого тіла. Розрізняють суто фізичну адсорбцію, за якої молекули речовини, що адсорбується, і адсорбенту не вступають у хімічну реакцію, і хемосорбцію, коли між адсорбентом і поглинаючою речовиною виникає хімічний зв'язок. Хемосорбція в процесах харчової технології трапляється дуже рідко. Процес фізичної адсорбції зворотний, і під час зміни умов процесу можливе виділення поглинутих речовин адсорбентом – десорбція; хемосорбція не завжди буває зворотною. Під час адсорбції водяної пари на поверхні адсорбенту може відбуватися її конденсація. Конденсат заповнює пори адсорбенту у зв’язку з чим адсорбцію в цьому випадку часто називають капілярною конденсацією. Рис.1. Адсорбція Явище адсорбції зумовлене силами взаємодії, що виникають між молекулами адсорбтиву і адсорбенту на поверхні поділу фаз. Між частинками (атомами, молекулами, іонами) твердого адсорбенту є надто значні сили взаємного зчеплення. Ці сили всередині твердого поглинача взаємно компенсуються і тому не виявляються як адсорбційні. Зовсім інший стан у частинок твердого тіла, які знаходяться на межі поділу фаз: з боку молекул твердого тіла на них діють ті самі сили, а аналогічні зв’язки з боку іншої фази відсутні, тобто молекули на поверхні твердого тіла не врівноважені, завдяки чому вони набувають спроможності притягати до себе і утримувати молекули іншої фази. Молекули інших речовин (газу, пари, рідини) створюють на адсорбенті адсорбційний шар. Сили взаємодії між молекулами адсорбенту і адсорбата залежно від природи цих речовин можуть бути різними, але найчастіше вони зв’язані з електростатичними ефектами (сили Ван – дер – Ваальса). Процес адсорбції звичайно супроводжується виділенням значної кількості теплоти. Це вказує на те, що процес адсорбції не є просте осідання молекул газу або рідини на поверхні твердого тіла, а є більш складним процесом, що супроводжується змінами в стані молекул адсорбенту і адсорбтиву. Встановлено, що згідно з основним рівнянням масообміну, кількість речовини, адсорбованої на поверхні твердого адсорбенту, зростає прямо пропорційно величині поверхні контакту. Отже, основна вимога, що подається адсорбенту, полягає в тому, щоб він мав розвинуту поверхню. Рис.2. Механізм процесу адсорбції Як і всякий процес сорбції, адсорбція прискорюється при зниженні температури і підвищенні тиску. Під час підвищення температури збільшується амплітуда коливання молекул в адсорбційному шарі, внаслідок чого вони залишають поле притягнення адсорбенту і настає десорбція. У харчових виробництвах адсорбція застосовується для таких процесів: - очищення дифузійного соку і цукрових сиропів у цукровому виробництві; - освітлення пива в пивоварному виробництві, фруктових соків – у консервному, вина – у виноробстві; - очищення води, спирту, горілки, коняку в спиртовому і лікеро – горілчаному виробництвах; - очищення сиропів у крохмало – патоковому виробництві; - знебарвлення (назване відбілюванням) жирів у масло – жировому виробництві); - під час рафінування олії; - під осушення та очищення газів, стічних вод та інших відходів виробництва. 2. Адсорбенти. Їх види і характеристика. Адсорбенти, що використовуються в харчових виробництвах, повинні мати такі основні властивості: - вибірність (селективність) – спроможність поглинати тільки той компонент, що необхідно виділити або усунути із суміші; - максимальна адсорбційну ємність (активність); - спроможність гранично десорбуватися, необхідну для регенерації адсорбенту; - здатність володіти хімічною інертністю за відношенням до речовин, які поглинаються; - достатню міцність гранул, низьку вартість. Вибірність адсорбенту і його адсорбційна ємність залежать від природи і побудови молекул адсорбенту та адсорбтиву. При цьому особливо важливу роль відіграє величина питомої поверхні (поверхня одиниці маси або об’єму адсорбенту) і розміри пор адсорбенту, які значною мірою пов’язані між собою: чим менший розмір пор, тим більша питома поверхня адсорбенту і, відповідно, його активність. Рис.3. Види адсорбентів Адсорбенти мають пористу структуру і тому дуже розвинуту поверхню. Вони характеризуються поглинаючою спроможністю, що визначається кількістю речовини, поглиненої одиницею маси або об’єму адсорбенту. При цьому розрізняють статичну і динамічну спроможності. Максимально досяжна за заданих умов поглинаюча спроможність адсорбенту називається його рівноважною активністю. Активність адсорбенту: А = G / ga де G – маса поглинутих компонентів; g – маса адсорбенту. Як адсорбенти в харчовій технології широко використовують активне вугілля, силікагелі, алюмогелі, цеоліти, глини та інші природні матеріали. Наведемо стислу характеристику основним видам адсорбентів. Активоване вугілля одержують внаслідок сухої перегонки відповідної органічної сировини (кам’яного вугілля, деревини, тирси, кісточок з фруктів, відходів шкіряного, паперового, м’ясного виробництва) з наступним вилученням смолистих речовин з пор цієї сировини. Питома поверхня активного вугілля 600 – 1700 м^2/г, насипна густина 380 – 600 кг / м^3; використовують їх у вигляді гранул розміром 1 – 7 мм або порошків з розміром частинок менше ніж 0,15 мм. Активоване вугілля використовується в спиртовому, лікеро – горілчаному, пивоварному, консервному та інших виробництвах для очищення, освітлення і знебарвлювання рідких продуктів, а також вилучення з них запаху, присмаку, колоїдних та інших домішок. Активоване вугілля застосовують також для очищення промислових газових викидів. Рис.4. Активоване вугілля під мікроскопом Особливо відзначимо розроблений останніми роками адсорбент з високою поглинаючою спроможністю, що одержується з абрикосових та інших фруктових кісточок і використовується для очищення організму від отруйних і шкідливих речовин під час лікування гострих отруєнь, хвороб печінки, нирок. Рис.5. Активованого вугілля Силікагелі - це продукти зневоднення гелю кремнієвої кислоти. Питома поверхня силікагелів - від 300 до 750 м /г, насипна густина -100-800 кг/м , розмір гранул 0,2-7 мм. Силікагелі використовують для осушення повітря в системі фреонової холодильної установки, освітлення пива і фруктових соків; вони здатні утримувати до 50% вологи від своєї маси. Рис.6. Силікагелі Цеоліти - водні алюмосилікати природного або синтетичного походження з винятково тонкими порами. їхня поглинальна здатність у 2-4 рази вища, ніж силікагелей. Цеоліти застосовують для глибокого осушення газів (наприклад, у компресійних фреонових холодильних установках), для концентрування соків. Рис.7. Цеоліти Глини та інші природні глинисті адсорбенти (бентоніти, діатоміти, трепели, інфузорна земля) займають особливо значне місце серед промислових адсорбентів завдяки значному їхньому поширенню в природі та низькій вартості. Глини мають значно меншу питому поверхню, ніж інші промислові адсорбенти (35-150 м /г), насипна густина їх 400-450 кг/м^3. Глини особливо широко розповсюджені як адсорбент, що поглинає забарвлені речовини з олій і жирів (адсорбційне вибілювання), при освітленні вин (у виноробстві цей процес називається обклейкою) та фільтруванні пива. Одним з видів адсорбентів є природні або синтетичні іоніти. Вони здатні обмінювати іони на еквівалентну кількість йонів того самого знаку з розчину, з яким вони взаємодіють. Таким чином, з розчину витягаються і утримуються адсорбентом йони, які підлягають вилученню з розчину. Синтетичні іоніти, які застосовуються в харчовій промисловості, відносяться до смол. За допомогою йонної адсорбції може здійснюватися ряд процесів: одержання винної кислоти з коньячної барди, зм'якшення і знесолювання води, демінералізація і очищення соків, сиропів, бульйонів. Іонітові адсорбенти легко піддаються регенерації. Як адсорбенти застосовуються також дріжджі, казеїн, желатин, риб'ячий клей та інші продукти. Адсорбентами є більшість твердих харчових продуктів. Тут слід відзначити цю їхню спроможність як позитивне явище, так і негативне. Йдеться передусім про поглинання твердими харчовими продуктами (в більшості своїй капілярно-пористими тілами) вологи з довкілля. Під час взаємодії з навколишнім вологим повітрям харчовий продукт у процесі зберігання поглинає вологу до встановлення рівноваги між вмістом водяної пари в повітрі та вологи в продукті. Зволоження продуктів у даному випадку створює сприятливі умови для їхнього псування - прискорюються хімічні та біохімічні реакції, відбувається підвищення температури продукту, що сприяє інтенсивному розвитку мікроорганізмів. До негативної адсорбційної властивості харчових продуктів відноситься також поглинання з навколишнього середовища різноманітного виду пари, газів, у тому числі й запашних. Тому з метою запобігання псування продуктів необхідно, щоб вони зберігалися в приміщеннях, які добре вентилюються, вільних від наявності будь-яких запахів і небажаних газових компонентів. Зволоження продуктів як позитивне явище можна продемонструвати такими прикладами. М'ясо заморожують у середовищі зволоженого повітря. Волога з повітря адсорбується поверхневим шаром м'яса, що має капілярну структуру. Адсорбована волога при цьому закриває пори, що утворюються, і запобігає подальшій втраті вологи м'ясом. Адсорбція водяної пари виявляє істотний вплив і в процесі випікання хлібобулочних виробів. Під час випікання виробів у вологій камері надто інтенсифікується прогрівання виробів за рахунок теплоти, що виділяється під час адсорбції та конденсації вологи. Експериментально встановлено, що випікання хлібобулочних виробів у зволоженій камері сприяє покращенню форми виробів і збільшенню їх висоти. Спроможність адсорбувати вологу мають і крупи, що є позитивним моментом і широко використовується в кулінарній практиці під час їхнього варення. Безумовно, позитивним є й прояв адсорбційних властивостей дріжджами. Дріжджова маса, що складається з окремих дріжджових клітин, має велику поверхню адсорбції (1 г дріжджів, що складається з 10 млрд клітин, має поверхню 2,27 м ). Цукор із цукромісткого розчину, що адсорбується на дріжджових клітинах, дифундує всередину клітини і піддається дії ферментів. Продукти бродіння, що утворюються при цьому, - спирт і вуглекислота, виходять з клітини через її оболонку. Адсорбція вологи або жиру супроводжує й розглянуті нами раніше процеси варення і смаження. Процес адсорбції в промисловості здійснюється двома способами: 1) змішуванням адсорбенту з продуктом, що оброблюється і подальшого розподілу їх на центрифугах або фільтрах; 2) фільтруванням продукту, що оброблюється через шар адсорбенту. 3. Адсорбери: класифікація, будова, принцип дії. Матеріальний баланс. Залежно від характеру шару адсорбенту апарати для проведення процесу адсорбції за другим способом поділяють на три групи: з нерухомим шаром адсорбенту; з рухомим шаром; з "киплячим" шаром. Згідно з першим способом здійснення процесу адсорбції, рідкий продукт (наприклад олія або вино) змішують з адсорбентом (вибілюючою глиною), а після цього відокремлюють адсорбент, який поглинув видалені домішки (пофарбовані речовини), від рідини за допомогою центрифугування або фільтрування. Згідно з другим способом рідина (наприклад, цукровий сироп) або водяна пара з повітря чи газу (наприклад, фреону, що циркулює в системі холодильної машини) пропускається через шар адсорбента (активного вугілля, силікагелю). На рис.8. показано змішувач 4 (посудина з оболонкою і мішалкою), в якому рідкий продукт змішується з адсорбентом. Після цього суміш насосом З перекачують на фільтрувальну центрифугу 2 або фільтрпрес (у випадку вибілювання олій). Продукт, що відфільтрувався, збирається у збірнику . Адсорбент після регенерації знову може бути повернений у виробництво. Рис. 8. Схема адсорбції перемішуванням Найбільше застосовуються в харчовій промисловості апарати періодичної дії з нерухомим шаром адсорбенту. Робочий цикл роботи такого адсорбера складається з чотирьох стадій: власне адсорбції, десорбції, сушіння адсорбенту і його охолоджування (рис.9.). Рис.9. Адсорбер періодичної дії: 1 – корпус; 2 – пористий адсорбент; 3 – решітка Рис. 10. Схема колонного адсорбера Адсорбер (рис.10) являє собою вертикальну колону 1 діаметром до 1,2 м і висотою до 10 м, заповнену гранульованим адсорбентом. Колону обладнано решіткою 4, завантажувальним люком 2 і розвантажувальним люком 5. Вихідна суміш (наприклад, цукровий сироп) пропускається через шар адсорбенту; при цьому поглинаються відповідні компоненти суміші. Знебарвлений сироп проходить крізь контрольний тканинний фільтр 3, в якому затримуються частинки адсорбенту, захоплені потоком. Після насичення адсорбенту стадія адсорбції припиняється, і адсорбент повинен бути регенерований. Для регенерації через шар насиченого адсорбенту пропускають водяну пару, інертний газ, розчинник та ін. Після десорбції адсорбент просушується і охолоджується. Адсорбери з псевдозрідженим або "киплячим" шаром адсорбенту (рис.9.) дають змогу здійснювати безперервний процес адсорбції. Рис. 11. Схема адсорбера з псевдорозрідженим шаром адсорбенту У ньому пиловидний адсорбент 2 (розмір гранул не більше 500 мкм) по трубі 5 безперервно надходить на решітку, а газ, що очищується крізь патрубок 4, - під неї і, проходячи з певною швидкістю крізь шар адсорбенту, приводить його в стан псевдозрідження. Під час руху через шар адсорбенту відбувається процес адсорбції, і очищена газова суміш надходить у циклон 7 для відділення потоку газу від частинок адсорбенту, що знову вертаються в псевдозріджений шар. Очищений газ видаляється крізь вихлопну трубу б циклону. Адсорбент безперервно відводиться з шару через трубу 3 на регенерацію, а регенерований адсорбент знову вертається в апарат по трубі 5. Застосування псевдозрідженого ("киплячого") шару дозволяє інтенсифікувати процес масопередавання під час адсорбції, що зумовлене зменшенням розмірів гранул і більш активним відновленням їхньої контактної поверхні. Рис.12. Адсорбер з киплячим шаромадсоробенту: 1- корпус; 2 – киплячий шар; 3 – решітка; 4 - труба Рис.13. Тарілчастий адсорбер Рис.14. Циліндричні адсорбери вертикального і горизонтального виконання Література 1. Малежик І.Ф., Циганков П.С. Процеси і апарати харчових виробництв. - К.: НУХТ, 2003 – 400 с. 2. Гулий І.С. Та інші. Обладнання підприємств переробної та харчової промисловості. - К.: Нова книга, 2001. – 380 с. 3. Поперечний А. М., Черевко О.І., Гаркуша В.Б., Кирпеченко Н.В., Ласкіна Н.А. Процеси і апарати харчових виробництв. – К.: Центр учбової літератури, 2007.- 304 с. 4. Шалугін В.С., Шмандій В.М. Процеси та апарати промислових технологій. Навчальний посібник. – К.: Центр учбової літератури, 2008. – 392с. 5. Дубова Г.Є. Процеси і апарати харчових виробництв. / Г.Є. Дубова, А.Т. Безусов. – Полтава: РВВ ПУСКУ, 2008. – 185 с. 6. Тарасенко І.І. Процеси і апарати харчових виробництв: навч.посіб. – К.: Київ нац. торг.-екон.ун-т, 2009. – 203 с. Контрольні запитання 1.Що таке адсорбція? 2. Поясніть суть понять: сорбція, сорбтив, адсорбент, хемосорбент. Наведіть приклади. 3. Що є рушійною силою процесу адсорбції ? 4. Де використовують процес адсорбції? 5. Поясніть фізичну суть процесу адсобції. 6. Назвіть абсорбенти, які використовують у харчових технологіях, дайте їм характеристику? 7. Які властивості повинні мати адсорбенти? 8. Запишіть матеріальний баланс процесу адсорбції. 9. Як класифікують апарати для проведення процесу адсорбції? 10. Поясніть принцип роботи колонного адсорбера. 11. Поясніть будову і принцип роботи адсорбера з псевдорозрідженим шаром адсорбенту. 12. Поясніть схему адсорбції, що здійснюється перемішуваням.
	Попередня тема	На початок	Наступна тема