• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

ОСОБЛИВОСТІ СУБЛІМАЦІЇ ЛЬОДУ|криги| У ВАКУУМІ

Історія сушіння біологічних матеріалів із замороженого стану

СУБЛІМАЦІЙНЕ СУШІННЯ

ЛЕКЦІЯ №4

Сушіння біологічних матеріалів із замороженого стану у вакуумі, як вважають, вперше застосував Шакелл, який в 1909 р. висушив цим методом вірус сказу, комплемент і сироватку. Раніше сироватки, висушені тепловим способом, погано розчинялися і після розчинення були каламутними. На відміну від цього ліофілізовані сироватки легко розчинялися і були прозорі

Пріоритет в області сушіння харчових продуктів належить радянському інженерові Г.М.Лаппа-старженецькому, який в 1921 р. зробив патентну заявку на винахід методу консервації матеріалів тваринного і рослинного походження. У цій заявці були викладені основні принципи теорії сушки сублімаційного сушіння.

У цьому ж році Свіфт застосував метод сублімації для висушування і подальшого збереження мікроорганізмів.

Всі роботи того часу носили характер лабораторних досліджень, і лише після 1935 р. цей метод знайшов широке застосування в медицині, що було викликане зростаючою потребою в сухій кров'яній плазмі і розвитком промисловості антибіотиків. Надалі сушка із замороженого стану була застосована при висушуванні різних біологічних препаратів з метою тривалого їх збереження і як етап технологічного процесу отримання ряду препаратів крові: альбуміну, гамма-глобулина, фібриногену і ін. Одночасно почався розвиток сублімаційного аппаратуробудування.

Для води основна потрійна|потроєна| точка характеризується температурою —0,0098°С|із| і парціальним тиском|тисненням| 611 Па. На рис. 1 представлена|уявлена| частина|частка| діаграми фазового стану води. Крива АОВ| ділить її на дві області:

нижню — область існування насиченої водяної пари і верхню — область існування води в твердому або рідкому стані. З|із| рис. видно|показно|, що якщо підводити тепло до речовини в твердому стані — льоду,|кризі| при тиску|тисненні| нижче за тиск|тиснення| основної потрійної|потроєної| точки, то відбудеться випаровування твердої речовини — льоду|криги|, яке називається сублімацією.

Характерною|вдача| особливістю фазового перетворення «лід|крига| — пара» у вакуумі є|з'являється,являється| різке збільшення об'єму|обсягу|, займаного|позичати,посідати| водяною парою. Об'єм|обсяг| 1 кг водяної пари при атмосферному тиску|тисненні| (1,013*104 Па) складає 1,72 м³, при залишковому тиску|тисненні| 133,322 Па— 1000 м³, при тиску|тисненні| 13,33 Па — 10000 м³. Від режиму руху водяної пари, що утворилася в суміші з|із| повітрям, яке містилося|утримувалося| в камері при сублімації льоду|криги| у вакуумі, залежить ефективність процесів зовнішнього і внутрішнього тепло- і масопереносу, що визначають кінець кінцем|зрештою| інтенсивність процесу сублімації.

В умовах сублімаційного зневоднення харчових продуктів, тиск|тиснення| пароповітряного середовища|середи|, що заповнює об'єм|обсяг| камери, знаходиться|перебуває| в межах 133,322— 13,33 Па, рух пари і повітря по мікрокапілярах має молекулярний режим; крізь макрокапіляри — молекулярно-вязкісний |. У тих же умовах режим руху пароповітряної суміші в середовищі|середі|, що оточує продукт - вязкісний|, тобто рух пари з моменту|із моменту| освіти|утворення| їх на межі|кордоні| розділу фаз і до моменту аблимации| їх має складний характер|вдача| і лише ретельне вивчення закономірностей руху дозволить намітити шляхи|колії,дороги| інтенсифікації процесів зовнішнього і внутрішнього тепло- і масопереносу.

Процес сублімації, тобто утворення пари безпосередньо з|із| твердої фази, істотно|суттєво| відрізняється від процесу паротворення|пароутворення| з|із| рідкої фази. У першому наближенні процес сублімації льоду|криги| розглядається|розглядується| поряд дослідників як прямий перехід окремих молекул і навіть частинок|часток,часточок| речовини з|із| твердого стану безпосередньо в пару. Всі молекули і частинки|частки,часточки| в поверхневому|поверховому,зверхньому| шарі пов'язані одна з іншою енергією, еквівалентній теплоті сублімації. Такі молекули мають однакову вірогідність|ймовірність| переходу з|із| твердого стану в пару.

Проте|однак|, якщо врахувати, що частинки|частки,часточки| мають різне число з'єднань|сполучень,сполук| і різну енергію зв'язку, то вірогідності|ймовірності| «прямого випаровування» є|наявний| лише для невеликої кількості частинок|часток,часточок|. Виходячи з цієї концепції, була запропонована теорія «стадійного випаровування», в якій поверхня випаровування розглядається|розглядується| як сукупність виступів і западин, на яких частинки|частки,часточки| мають різну енергію зв'язку. При підводі енергії із|із| зовні відбувається|походить| (шляхом міграції по поверхні) перехід з|із| міцнішого зв'язаного положення|становища| (западина) в менш міцно енергетично зв'язаний стан, потім в прикордонний шар і лише після|потім| цього в пару; випаровування в таких умовах нагадує осередкові спалахи різної інтенсивності і в різних точках поверхні.

Радянськими вченими А. А. Гухманом і Е. А. Ермакової була запропонована гіпотеза «струменевого випаровування» льоду|криги| у вакуумі, згідно якої при випаровуванні з|із| твердого стану в середу з|із| тиском|тисненням| 1333,22— 13,332 Па об'єм|обсяг| речовини збільшується в 104 — 106 разів. Маса пари, що займає|позичає,посідає| цей величезний об'єм|обсяг| (по відношенню до об'єму|обсягу| зразка|взірця|), відривається від поверхні і викидається в навколишнє середовище, причому випаровування відбувається|походить| нерівномірно зі всієї поверхні, а у вигляді струменів, що вириваються з|із| багатьох дискретно розташованих|схильних| вогнищ|осередків| випаровування. Ці струмені, вторгаючись в навколишнє середовище, викликають|спричиняють| дуже складний неврегульований рух, обумовлений виникненням циркуляційного перебігу великої кратності, наприклад, для нафталіну кратність циркуляції рівна 134. Ця гіпотеза підтверджена експериментальними даними, згідно яким при сублімації льоду|криги| тиск|тиснення| пари у|в,біля| поверхні рпов| більше тиску|тиснення| навколишнього середовища р_ср| в 2,5—3,3 разу, т. е. р_пов| має надкритичне значення. У цих умовах закінчення|виділення,витікання| пари відбувається|походить| з|із| надкритичною швидкістю.

Запропонована гіпотеза дозволяє пояснити деякі особливості тепло- і масообміну при сублімації льоду|криги| у вакуумі, зокрема різке збільшення коефіцієнта теплообміну в інтервалі тиску|тиснення| 13,332— 1333,22 Па і збільшення коефіцієнта теплообміну при переміщенні тіла, що сублімується, у вакуумі.

Для пояснення різкого збільшення коефіцієнта теплообміну в цьому інтервалі тиску|тиснення| А. В. Ликовим була запропонована інша гіпотеза, що пояснює механізм сублімації льоду|криги|, - гіпотеза «об'ємного випаровування», згідно якої із-за неоднорідності поверхні шару при сублімації льоду|криги| відбуваються|походять| одночасно процеси сублімації і аблімації|. Виступаючі в прикордонний шар найдрібніші частинки речовини (кристали льоду|криги|) на ділянках аблімації| відриваються від поверхні тіла і несуться в навколишнє середовище без витрати|затрати| тепла на випаровування. Тому потік маси містить|утримує| не тільки|не лише| пару, але і найдрібніші тверді частинки. Оскільки|тому що| потік тепла визначається по витраті маси з урахуванням|з врахуванням| прихованої теплоти сублімації (q = rj), то з'являються|появляються| завищені значення питомого потоку тепла, а отже, і коефіцієнта теплообміну, частинки|частки,часточки|, що відірвалися, поступово випаровуються. Найбільше число таких частинок|часток,часточок| утворюється при

залишковому тиску|тисненні|, рівному 133,322 Па. Тому в цій області тиску|тиснення| і спостерігається максимальне значення коефіцієнта теплообміну. Винесення|винос| твердих частинок|часток,часточок| було підтверджене експериментально при вивченні процесу сублімації льоду|криги|. На мал. 12 добре видно ділянки аблімації| у вигляді ворсинок, які потім відриваються і рухаються|сунуться| в поверхневому|поверховому,зверхньому| шарі вологого|вогкого| газу. В процесі руху ці частинки|частки,часточки| випаровуються|. Крім того спостерігалося коливання ворсинок і обертання цілого комплексу кристалів. При швидкості (частоті) обертання до 70 об/хв ворсинки здійснювали|скоювали,чинили| до 20—30 об/хв, причому вони могли припинити обертання і почати|розпочати,зачати| нове в інший бік.

Експериментальне підтвердження наявності об'ємного випаровування в пристінному| шарі пароповітряного середовища|середи| дозволило авторам запропонувати нову гіпотезу про механізм тепло- і масообміну в цьому шарі: в результаті|унаслідок,внаслідок| значного збільшення об'єму|обсягу| речовини при сублімації відбувається|походить| явище, аналогічне вибуху з|із| утворенням квазіударної хвилі (молекулярна хвиля розрідження). Унаслідок|внаслідок| інтенсивного розрідження в зоні хвилі відбувається|походить| конденсація, або точніше аблімація|, пара з|із| утворенням частинок|часток,часточок| льоду|криги|, розташованих|схильних| на поверхні тіла. Розташування частинок|часток,часточок| обумовлене рухом молекулярних хвиль розрідження. З|із| теорії утворення молекулярних хвиль розрідження відомо, що тиск|тиснення| пари на ділянках сублімації поверхні тіла менше тиску|тиснення| насиченої пари при даній температурі і для деякого тиску|тиснення| складає близько 60% від тиску|тиснення| насиченої пари при даній температурі.

Радянськими дослідниками П. Л. Новіковим і Е. А. Вагнер здійснене фотографування траєкторії польоту частинок|часток,часточок| льоду|криги|, що відірвалися від поверхні, визначені швидкості і прискорення пересування частинок|часток,часточок|. На підставі даних про поле швидкостей і прискорень, ними були визначені термодинамічні параметри пароповітряного середовища|середи| при випаровуванні у вакуумі, що дозволило зробити деякі висновки|виведення| про особливості процесу сублімації льоду|криги| у вакуумі:

1. На|в,біля| поверхні тіла, що сублімується, є|наявний| шар пароповітряної суміші, термодинамічні властивості якого відрізняються від властивостей навколишнього середовища (цей шар не можна ототожнювати з|із| прикордонним шаром при нормальному тиску|тисненні|), через який переносяться величезні об'єми|обсяги| пари унаслідок|внаслідок| його великої протяжності і малої щільності.

Саме в цьому шарі відбувається|походить| зміна швидкостей, температур і тиску|тиснення| від значень на поверхні сублімації до значень в середовищі|середі|. Товщина шару σ|β,α³λ| визначається в основному щільністю середовища|середи| у вакуумній камері, де σ= 1/ρ. У цьому шарі сконцентровано основний опір конвективного тепло- і масопереносу.

2. Інтенсивну передачу тепла до поверхні сублімації через розріджений шар найдоцільніше здійснювати за допомогою електромагнітного випромінювання. Інші способи підведення тепла — конвекція, кондукція|, через середовище|середу| низької щільності є|з'являються,являються| малоефективними.

Тепловий баланс процесу сушки при атмосферному тиску може бути виражений наступним рівнянням:

де:

- загальна кількість тепла, підведеного до матеріалу в ккал/м, годину;

- коефіцієнт масообміну при нормальному тиску в кг/іг, година мм рт.ст.;

Р - нормальний тиск в мм рт.ст;

B -барометричний тиск в мм рт.ст;

r - теплота випаровування в ккал/кг;

з - теплоємність матеріалу в ккал/кг, в градусах Цельсія;

-питома вага матеріалу в кг/г;

-визначаючий розмір матеріалу в м;

- зміна температури в часі, в градусах Цельсія за годигну

Читайте також:

1. I. Особливості аферентних і еферентних шляхів вегетативного і соматичного відділів нервової системи
2. VI.3.3. Особливості концепції Йоганна Гайнріха Песталоцці
3. VI.3.4. Особливості концепції Йоганна Фрідриха Гербарта
4. А. Особливості диференціації навчального процесу в школах США
5. Агітація за і проти та деякі особливості її техніки.
6. Аграрне виробництво і його особливості
7. Аграрне право як галузь права, його історичні витоки та особливості.
8. АНАТОМІЯ І ФІЗІОЛОГІЯ ЦЕНТРАЛЬНОЇ ТА ПЕРИФЕРИЧНОЇ НЕРВОВОЇ СИСТЕМИ, ЇЇ ВІКОВІ ОСОБЛИВОСТІ
9. Анатомо-фізіолгічні особливості
10. Анатомо-фізіологічна перебудова організму підлітка та її вплив на його психологічні особливості й поведінку.
11. Анатомо-фізіологічні особливості молодших школярів
12. Антисептики ароматичного ряду (фенол чистий, іхтіол, дьоготь, мазь Вількінсона, лінімент за Вишневським). Особливості протимікробної дії та застосування.

Переглядів: 1370