LABORATORIUM INŻYNIERII BIOPROCESOWEJ

Kierunek: Biotechnologia

Ćwiczenie nr B - 9

KINETYKA PROCESU SUSZENIA

UNIWERYTET TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY

WYDZIAŁ TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ

Katedra Inżynierii Chemicznej i Bioprocesowej

BYDGOSZCZ

1. Wprowadzenie

Suszenie od najdawniejszych czasów wykorzystywane było przez człowieka jako proces zapewniający długą trwałość przechowywanej żywności. Z czasem proces suszenia zaczęto stosować na skalę przemysłową. Obecnie suszenie jest jedna z ważniejszych operacji jednostkowych, wykorzystywanych w cyklu produkcyjnym i polega z reguły na cieplnej metodzie usuwania wody z materiału przez jej odparowanie. Proces suszenia ma zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, od spożywczego poprzez chemiczny do biotechnologicznego. Suszenie materiału dokonuje się w specjalnych urządzeniach zwanych suszarkami. Dobór suszarki jest bardzo ważny dla przebiegu procesu technologicznego. Dokonując go trzeba brać pod uwagę właściwości fizykochemiczne suszonego materiału i końcowy stopień wysuszenia. Usuwanie wilgoci z materiału można przeprowadzić mechanicznie, chemicznie, cieplnie i elektrycznie. Metody cieplne suszenia odgrywają dotąd główną rolę i dlatego są stosowane najszerzej.

Proces suszenia wymaga, aby odparowana woda była w sposób ciągły usuwana z otoczenia produktu. Najczęściej usuwanie wilgoci odbywa się w wyniku konwekcji, co powoduje, ze ten sam czynnik może być użyty do dostarczania ciepła i odprowadzania odparowanej wody. Suszenie jest procesem jednoczesnej wymiany ciepła i masy. Materiał suszony ogrzewa się od gorącego powietrza przy suszeniu konwekcyjnym, a odparowana woda przemieszcza się z materiału do otaczającego gazu. Badania wykazały, że opory ruchu masy są znacznie większe od oporów ruchu ciepła i to one decydują o szybkości przebiegu procesu suszenia. Siła napędową procesu suszenia jest różnica między prężnością pary wodnej na powierzchni materiału a prężnością pary wodnej w otaczającym gazie.

2.   Kinetyka suszenia

Do projektowania aparatury suszarniczej niezbędna jest znajomość zawartości wilgoci w materiale suszonym od czasu trwania procesu x=f(t), tzw. Krzywej suszenia. Najpewniejsze dane odnośnie kinetyki suszenia otrzymuje się z analizy wyników doświadczalnych. Wilgotność właściwą (bezwzględna ) x wyrażamy w jednostkach masy wody na jednostkę masy suchego materiału:

(1)

gdzie: m_w - masa wody w materiale [kg],

m_s - masa suchego materiału [kg].

W trakcie procesu suszenia wyróżniamy dwa okresy. W pierwszym okresie szybkość suszenia jest stała i opisana zależnością:

(2)

W drugim okresie szybkość suszenia maleje i opisuje ją równanie:

(3)

gdzie: k i n - stałe charakterystyczne dla stosowanego materiału i procesu,

x_r - wilgotność równowagowa.

Całkowanie dla n = 1 prowadzi do zależności:

(4)

dla x_r = 0 otrzymujemy

(5)

gdzie: x_kr = wilgotność krytyczna przy której kończy się pierwszy okres i zaczyna drugi

t_II- czas w drugim okresie suszenia.

Rys.1.

Krzywa szybkości suszenia - zmiana wilgotności bezwzględnej X w czasie t.

3. Cel ćwiczenia

Zbadanie kinetyki suszenia granulek biokatalizatora.

4. Opis aparatury

Schemat aparatury doświadczalnej przedstawiono na rys.2.

Rys. 2.

Schemat suszarni doświadczalnej

5.  Część doświadczalna

A. Kinetyka suszenia

Granulki biokatalizatora będą suszone strumieniem ciepłego powietrza o temperaturze (35 -45 ⁰C). Dokładna wartość temperatury poda prowadzący ćwiczenie. Po uruchomieniu termostatu należy włączyć pompkę tłoczącą powietrze przez wymiennik ciepła. Regulując nastawami termostatu ustawić zalecana temperaturę na termometrze umieszczonym w pokrywie. Do pojemnika z dnem sitowym odważyć 8-12 g biokatalizatora. Następnie umieścić w otworze pojemnik z biokatalizatorem. Co 10 min sprawdzać masę suszonego materiału.

Proces zakończyć po uzyskaniu stałej masy suszonego materiału m_s.

B. Kinetyka procesu nawilżania

Z dostarczonej próbki wysuszonego biokatalizatora pobrać 10 ziaren i zmierzyć ich średnicę. Wybrać jedno ziarno o średnicy zbliżonej do średniej z 10 ziaren i umieścić na szkiełku z niewielką ilością wody. Przez okres 1 h w odstępach czasu 5 min mierzyć za pomocą mikroskopu średnicę ziarna.

Z dostarczonej próbki odważyć 4,5g biokatalizatora i prowadzić jego nawilżanie w 100 ml wody wodociągowej przez 60 min. Po zakończeniu nawilżania oznaczyć średnia średnica dla 10 ziaren.

Wyniki pomiarów zamieścić w Tabeli 1 i 2, oraz tabeli 3. Obliczyć średnia powierzchnię biokatalizatora przed i po procesie nawilżania.

6.   Opracowanie wyników pomiarów

Na podstawie pomiarów obliczyć zmiany wilgotności materiału z zależności:

(6)

gdzie: x - wilgotność właściwa,

m_t - masa materiału suszonego w czasie t ,

m_s - masa materiału wysuszonego (po odpowiednio długim czasie suszenia).

Wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w tabeli i przedstawić na wykresie x =  f(t). Ocenić możliwość zastosowania równań (2) i (3) do opisu procesu.

B. Kinetyka procesu nawilżania

Tabela 1

Zestawienie pomiarów średnic 10 ziaren biokatalizatora przed nawilżaniem

d1 [mm]	d2 [mm]	d3 [mm]	d4 [mm]	d5 [mm]	d6 [mm]	d7 [mm]	d8 [mm]	d9 [mm]	d10 [mm]	dśr [mm]

Tabela 2

Zestawienie pomiarów średnic 10 ziaren biokatalizatora po procesie nawilżania

d1 [mm]	d2 [mm]	d3 [mm]	d4 [mm]	d5 [mm]	d6 [mm]	d7 [mm]	d8 [mm]	d9 [mm]	d10 [mm]	dśr [mm]

Tabela 3

Zestawienie pomiarów zmiany średnicy biokatalizatora w procesie nawilżania

Lp.	Czas [min]	d [mm]
1	0
2	5
3 ... 21	10 .... 60

7. Literatura

1. Chmiel, Biotechnologia, Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne, PWN, Warszawa 1994.

2. U.E. Viesturs, I.A. Szmite, A.W.Żilewicz, Biotechnologia. Substancje biologicznie czynne, technologia, aparatura, WNT, Warszawa 1992.

3. S. Russel, Biotechnologia, PWN, Warszawa 1990.

3

wylot wilgotnego ciepłego powietrza

dopływ chłodnej wody

do termostatu

biokatalizator

wypływ ciepłej wody

z termostatu

wlot zimnego powietrza

---