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: mw - masa wody w materiale [kg],
ms - 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,
xr - wilgotność równowagowa.
Całkowanie dla n = 1 prowadzi do zależności:
(4)
dla xr = 0 otrzymujemy
(5)
gdzie: xkr = wilgotność krytyczna przy której kończy się pierwszy okres i zaczyna drugi
tII- 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 ms.
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,
mt - masa materiału suszonego w czasie t ,
ms - 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
Chmiel, Biotechnologia, Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne, PWN, Warszawa 1994.
U.E. Viesturs, I.A. Szmite, A.W.Żilewicz, Biotechnologia. Substancje biologicznie czynne, technologia, aparatura, WNT, Warszawa 1992.
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