Экспериментальное исследование тепло-массообмена при сушке раствора белка в случае вынужденной конвекции

Куриный яичный белок является эталоном биологической ценности для человека из-за его полной усвояемости и аминокислотного состава. Такой же биологической ценностью белок является и для животных и птицы. Это связано с тем, что он содержит протеин, углеводы, минеральные вещества и аминокислоты, которые организм синтезировать не может. Одним из источников полноценного кормового белка является зерновая барда — отход спиртового производства. Основная ценность зерновой барды заключается в протеине [1].

В данной работе проведено экспериментальное исследование процесса испарения при температуре 105 єС модельного раствора яичного белка в дистиллированной воде (таблица 1) с целью оценки величины отношения коэффициента теплоотдачи от воздуха к воде к коэффициенту массотдачи от поверхности воды в воздух при испарении со свободной поверхности при вынужденной конвекции.

Таблица 1 — Экспериментальные данные процесса испарения при температуре 105 єС модельного раствора яичного белка с дистиллированной водой.

Проведение данных исследований обусловлено целями изучения параметров адсорбционного взаимодействия белка с водой при сушке послеспиртовой барды. Температура в лаборатории по сухому термометру составляла єС, по мокрому — єС в соответствие с показаниями гигрометра психрометрического ВИТ-2 (рисунок 1). Относительная влажность воздуха при данных показаниях термометров составила %.

Рисунок 1 — Гигрометр психрометрический ВИТ-2.	Рисунок 2 — Сушильный шкаф Memmert (Германия).

конвекция белок теплоотдача Испарение раствора проводили в сушильном шкафу Memmert класса Basic (Германия) (рисунок 2), оснащенном принудительной циркуляцией воздуха, панелью управления с одним дисплеем и устройством контроля температуры (платиновый датчик температуры Pt100 класса А).

а) белок 1 мл + вода 20 мл.	б) белок, размешенный в воде.
в) после 30 мин испарения.	г) пленка белка после испарения воды.
Рисунок 3 — Внешний вид белка в процессе испарения воды.

По температуре сухого термометра єС вычислили давление насыщения, Па, по выражению, приведенному в [2].

. (1).

По измеренному значению относительной влажности в помещении % и найденному давлению насыщения Па, определили значение парциального давления в воздухе Па.

. (2).

Влагосодержание воздуха в лаборатории, г/кг, составило.

. (3).

Давление насыщения, Па, в сушильном шкафу (термостате) определено по выражению (1) при температуре в шкафу єС.

. (4).

Сушильный шкаф Memmert снабжен принудительной вентиляцией, влияющей на коэффициенты теплои массообмена при испарении воды из раствора, изменение которых сказывается на температуре поверхности. Для определения температуры поверхности, при которой происходит основной процесс испарения воды из раствора, провели эксперимент при тех же условиях путем измерения температуры среднего слоя навески воды, помещенной в чашку Петри в сушильный шкаф с помощью датчика — цифрового мультиметра Mastech серии M838. Температура навески воды составила єС (рисунок 4).

Известно, что при нагревании до температуры 58−65 °С белок свертывается, превращаясь в твердую массу [3]. Измеренная температура мокрого термометра не превышала температуру свертывания белка, что и было подтверждено нами в экспериментальных исследованиях (рисунок 3). Авторами [4] исследовано влияние теплового воздействия на свойства яичного белка. Установлено, что повышение температуры приводит к необратимой потере растворимости. Анализ электрофоретических профилей нативных белков показал, что белок включает разнообразие белков в яичном белке. Когда яичный белок подвергается воздействию температуры, его глобулярные белки склонны к изменениям в структуре и конформации.

Рисунок 4 — Измерение температуры навески воды в среднем слое Определим соотношение коэффициентов теплоотдачи от воздуха к воде к коэффициенту массотдачи от поверхности воды в воздух в период испарения воды со свободной поверхности. В первом приближении теплота, поведенная от воздуха к воде, будет затрачиваться на ее испарение. Запишем известное уравнение теплового баланса для поверхности.

(5).

где — коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности воды, Вт/(м²· К); - температура в сушильном шкафу, ?С; - температура поверхности испарения, ?С;? коэффициент массоотдачи от воды к воздуху, м/с;? давление насыщенных паров воды, Па, при температуре поверхности воды; ? парциальное давление паров воды, Па, при температуре в сушильном шкафу; r? удельная теплота парообразования воды, Дж/кг, при температуре поверхности воды; R? универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль· К);? абсолютная температура поверхности воды, К;? молекулярная масса воды, кг/кмоль.

Из уравнения (5) следует.

. (6).

Давление насыщения, Па, в сушильном шкафу определено по выражению (1) при температуре поверхности єС.

. (4).

Для определения парциального давления паров воды, Па, при температуре в сушильном шкафу єС, найдем влагосодержание d, г/кг, путем совместного решения уравнений изотерм сухого и мокрого термометров. Изотерма сухого термометра при температуре єС.

(5).

где I — энтальпия влажного воздуха в сушильном шкафу, Дж/кг; - удельная теплоемкость сухого воздуха Дж/(кг· К); - теплота парообразования, для воды при 0 єС равна Дж/кг; - удельная теплоемкость сухого пара Дж/(кг· К).

Изотерма мокрого термометра.

(6).

где — удельная теплоемкость воды при температуре мокрого термометра, Дж/(кг· К) при єС.

На рисунке 5 приведено графическое определение влагосодержания d на пересечении изотерм єС и єС.

Рисунок 5 — Графическое определение влагосодержания При уравнение (6) принимает вид.

. (7).

Вычислим влагосодержание, г/кг, и энтальпию, Дж/кг.

(8).

где давления в точке пересечения изотермы мокрого термометра єС и линии относительной влажности воздуха %. Давление насыщения определено по выражению (4) при температуре поверхности єС.

. (9).

Определим из выражения (7), Дж/кг.

. (10).

В точке пересечения изотерм сухого єС и мокрого термометров єС энтальпии равны. Приравнивая правые части уравнений (5) и (6), получим.

. (11).

Откуда d, г/кг.

. (12).

Вычислим парциальное давление воздуха в сушильном шкафу, Па.

. (13).

Теплоту парообразования r, Дж/кг, входящую в уравнение (6), определим по выражению, приведенному в [2].

. (14).

Подставляя найденные значения в выражение (6), получим.

. (15).

Таким образом, коэффициент теплоотдачи от воздуха к воде почти в тысячу раз больше коэффициента массотдачи от поверхности воды в воздух в период испарения воды со свободной поверхности для сушильного шкафа Memmert, снабженного принудительной вентиляцией, что следует учесть при идентификации экспериментальных данных. Такое же соотношение получено нами при исследовании испарения воды со свободной поверхности в условиях естественной конвекции [5, 6].

• 1. Егоров И., Послеспиртовая барда и пивная дробина в кормлении птицы / И. Егоров, Ш. Имангулов, Г. Игнатова, П. Паньков, Б. Розанов, С. Кислюк // Комбикорма, 2006. — № 2.
• 2. Гаврилкин В. П., Куранов Е. А. Аналитическое определение параметров влажного воздуха // Вестник АГТУ, 2007. № 2 (37). С. 148−151.
• 3. Яйца и яичные продукты http://www.hlebopechka.net/h61.php
• 4. Effect of Heat on Egg White Proteins / Zoubida Akkouche, Lyes Aissat, Khodir Madani // International Conference on Applied Life Sciences (ICALS2012) Turkey, September 10−12, 2012. p. 407−413.
• 5. Константинов Е. Н., Ксандопуло С. Ю., Короткова Т. Г., Данильченко А.C. Математическая модель нестационарного процесса испарения жидких растворов // Известия вузов. Пищевая технология, 2015. № 5−6. С. 82−86.
• 6. Короткова Т. Г., Данильченко А. С., Сиюхов Х. Р., Константинов Е. Н. Идентификация математической модели нестационарного процесса испарения жидкости // Известия вузов. Пищевая технология, 2016. № 1. С. 71−74.