Способ определения количества водных фракций, отличающихся энергией связи влаги с веществом
Владельцы патента RU 2312328:
Государственное образовательное учреждение Воронежская государственная технологическая академия (ГОУ ВПО ВГТА), отдел СМП (RU)
Изобретение относится к методам исследования процесса сушки в пищевой и других отраслях промышленности. Способ заключается в испытании измельченного влажного образца вещества в термографическом устройстве путем нагревания, сопровождающегося его высушиванием, с получением термограммы вещества и определением количества водных фракций, характеризующихся энергией связи влаги с веществом, по характерным изломам на кривой термограммы. При этом в качестве термографического устройства используют дериватограф, а количество водных фракций и соответствующее значение влагосодержания образца определяют по однотипным участкам на деривативной термогравиметрической кривой. Затем значение влагосодержания материала, соответствующее интервалам водных фракций, рассчитывают по формуле. Предложенный способ позволяет сократить длительность эксперимента, а также повысить точность и надежность измерений. 1 ил.
Изобретение относится к способам определения количества водных фракций, отличающихся энергией связи влаги с веществом, и может быть использовано при выборе способа и режима сушки, а также для исследования процесса сушки в пищевой и других отраслях промышленности.
Известен способ определения количества водных фракций, отличающихся энергией связи влаги с веществом на основании анализа изотерм сорбции и десорбции этого вещества, получаемых путем помещения его образцов в газообразную среду с заданной относительной влажностью и температурой и выдерживания образцов в этой среде до наступления состояния равновесия; при этом количество водных фракций, характеризующихся различными значениями энергии и видами связи влаги с материалом, определяют по однотипным участкам на кривой сорбции или десорбции (Гинзбург А.С., Савина И.М. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов: Справочник. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с.43-59, 280 с.)
Однако известный способ не позволяет получить надежной информации о количестве водных фракций, отличающихся энергией связи влаги с материалом по кривой сорбции - десорбции из-за большой продолжительности эксперимента, которая в отдельных случаях может составлять более 30 дней, что приводит к изменению свойств и состава материала. Кроме того, процессы сорбции и десорбции являются изотермическими и равновесными, что существенно отличает их от условий реального процесса сушки, а также возникают сложности с получением достоверной информации при влажности воздуха более 85%.
Известны также способы определения количества водных фракций в веществе, которые заключаются в нагревании образца в термографическом устройстве с построением термограммы в виде кривых дифференциальной сканирующей калориметрии ДСК, дифференциального термического анализа (ДТА), или термогравиграммы. Количество водных фракций определяют по количеству экзотермических пиков на кривых ДСК или ДТА или по количеству ступеней (изломов) на термогравиграмме (Пономарев В.Д. Аналитическая химия в двух частях. - М.: Высшая школа. 1982. Ч.2. Качественный анализ, с.258-261). Однако экзотермические пики отчетливо регистрируются на кривых ДТА и ДСК, если водные фракции удаляются в различных интервалах температур и, следовательно, существенно различаются энергией связи влаги с веществом.
Из указанных методов наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ термографического анализа видов связи влаги с веществом, предложенный М.Ф. Казанским (Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность. - 1973, с.43-46), включающий регистрацию температуры материала во времени в процессе медленной сушки тонкого образца материала при постоянной температуре сушильного воздуха. На полученной таким образом кривой зависимости температуры образца от времени количество водных фракций определяют по количеству однотипных участков.
Однако границы смежных однотипных участков на термограмме М.Ф. Казанского для фракций, различающихся небольшим значением энергии связи влаги с веществом, являются нечеткими и труднораспознаваемыми. Это существенно затрудняет определение количества водных фракций и значения влагосодержания вещества, соответствующее границам различных водных фракций.
Технической задачей изобретения является повышение надежности и точности определения количества водных фракций, отличающихся энергией связи влаги с веществом.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения количества водных фракций, характеризующихся энергией связи влаги с веществом, заключающемся в испытании измельченного влажного образца вещества в термографическом устройстве путем нагревания, сопровождающемся его высушиванием, с получением термограммы вещества и определением количества водных фракций, характеризующемся энергией связи влаги с веществом, по характерным изломам на кривой термограммы, характеризующей изменение температуры образца в процессе испытания, новым является то, что в качестве термографического устройства используют дериватограф, а количество водных фракций определяют по однотипным участкам на деривативной термогравиметрической кривой, при этом значение влагосодержания материала, соответствующее интервалам водных фракций, рассчитывают по формуле
,
где Ui - влагосодержание материала, соответствующее концу/началу однотипного участка на деривативной термогравиметрической кривой, кг влаги/кг сухих веществ; М - количество влаги в образце, равное количеству удаленной влаги в течение всего времени анализа; определяется по термогравиметрической кривой, мг; ΔGi - количество испарившейся из образца влаги, соответствующей концу/началу однотипного участка на деривативной термогравиметрической кривой, мг; G - навеска образца, мг.
Технический результат заключается в повышении надежности и точности определения количества водных фракций в веществе, отличающихся энергией связи влаги с сухой частью вещества.
Рассмотрим процесс обезвоживания измельченного влажного образца вещества в термографическом устройстве. Запишем уравнение для скорости изменения массы вещества (скорости сушки) в виде
где α - степень превращения вещества; А - коэффициент; f(α) - функция степени превращения вещества; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура вещества; Е - энергия активации.
Энергия активации равна
где r - теплота парообразования свободной (не связанной) воды; Есв - энергия связи влаги с веществом.
Из уравнений (1) и (2) видно, что деривативная термогравиметрическая кривая (DTG) обладает большей чувствительностью к изменению энергии связи влаги с веществом, чем термогравиграмма, так как на нее оказывает влияние как температура вещества, так и величина энергии связи. Если поместить измельченный образец влажного вещества в термографическое устройство, например в печь дериватографа, и нагревать печь с постоянной скоростью, то при испарении молекул воды одной фракции будет наблюдаться один и тот же тип кривой DTG. При изменении энергии связи влаги с веществом характер кривой DTG также изменится.
На чертеже приведена дериватограмма казеина, снятая при следующем режиме: влажность образца WH=56%; навеска образца G=0,300 г; чувствительность: DTA =1/3; DTG=1/10; TG=200 мг; скорость нагрева печи 5°С/мин; продолжительность анализа 50 мин.
Дериватографический способ анализа видов связи влаги с материалом осуществляется следующим образом.
Сначала берут тонкоизмельченный образец влажного материала и помещают его в печь (максимальная температура которой составляет 1050°С) дериватографа, например, системы Паулик-Паулик-Эрдеи, в котором запись кривых изменения температуры образца, убыли массы и скорости убыли его массы осуществляется фотосамописцем.
В результате получают дериватограмму материала в форме графической регистрации изменения температуры образца, убыли массы и скорости убыли массы во времени в процессе сушки образца материала в условиях, приближенных к реальным условиям сушки в промышленном аппарате.
Затем количество водных фракций и соответствующее значение влагосодержания образца определяют по однотипным участкам на деривативной термогравиметрической кривой DTG, при этом значение влагосодержания материала, соответствующее интервалам водных фракций, рассчитывают по формуле
,
где Ui - влагосодержание материала, соответствующее концу (началу) однотипного участка на деривативной термогравиметрической кривой DTG, кг влаги/кг сухих веществ; М - количество влаги в образце, равное количеству удаленной влаги в течение всего времени анализа; определяется по термогравиметрической кривой TG, мг; ΔGi - количество испаренной из образца влаги, соответствующей концу (началу) однотипного участка на деривативной термогравиметрической кривой DTG, мг; G - навеска образца, мг.
Способ поясняется следующим примером
Для примера осуществления деривтографического способа анализа видов связи влаги с материалом, в качестве образца использовали казеин.
Навеску (0,3 г) исследуемого вещества (казеина) берут в один платиновый тигель, а навеску эталонного образца в другой. Окись алюминия (эталон) взвешивают с точностью до ±5%. Оба тигля устанавливают в прибор на торцы вертикально стоящих фарфоровых трубок. Тигли накрывают кварцевым стаканом и опускают печь так, чтобы стакан находился на середине печи. Поворотом диска программного управления задают начальное напряжение 60 В и скорость повышения напряжения устанавливают на деление 50 мин. Это обеспечит скорость нагрева 5°С/мин. Устанавливают чувствительность гальванометра DTG - 1/10, a DTA - 1/3. Предел измерения гальванометра Т ставят на конечную температуру 500°С. В барабан заправляют (при красном свете) светочувствительную фотобумагу эмульсионным слоем наружу, закрывают барабан кожухом, устанавливают в дериватограф и затворяют вырез прибора крышкой. Выставляют нулевое положение световых указателей: гальванометра Т - на температуру окружающей среды, гальванометра DTA - на середину температурной шкалы, DTG - отступя на 30-40 мм от правого конуса темной шкалы.
После того как дериватограф будет подготовлен к испытанию, дезарретируют весы, подключают гальванометр DTG, ручку барабана ставят в нулевое положение, зажигают двигатели регулятора напряжения и регистрирующего устройства. Включают печь и осветительные лампы TG, DTG, Т и DTA.
При этом равномерность нагрева печи обеспечивается программным управлением, которое устанавливается на скорость 5°С/мин.
Кривые записываются дериватографом как функции определяемых величин от времени.
Эксперимент заканчивается по завершении всех замеров. После этого выключают двигатель регистрирующего барабана и регулятора напряжения, обогрев, осветительные лампы и гальванометр DTG и арретируют весы. Далее поднимают печь и регистрирующий барабан вынимают из прибора. После проявки светочувствительной бумаги получают дериватограмму казеина (чертеж), которая подвергается следующему анализу.
На деривативной термогравиметрической кривой DTG (чертеж) можно выделить пять участков, соответствующих различным водным фракциям, каждая из которых соответствует определенному интервалу влагосодержания и отличается значениями энергии связи влаги с продуктом.
Определим значение влагосодержания материала в точке А:
Определим значение влагосодержания материала в точке В:
Определим значение влагосодержания материала в точке С:
Определим значение влагосодержания материала в точке D:
Первый участок, который наблюдается при снижении влагосодержания до 1,225 кг/кг, характеризуется удалением в основном свободной влаги. Второй участок соответствует влагосодержанию в казеине от 1,225 кг/кг до 0,545 кг/кг. Третий участок соответствует влагосодержанию от 0,545 кг/кг до 0,227 кг/кг. Четвертый участок соответствует влагосодержанию от 0,227 кг/кг до 0,058 кг/кг. Началу пятого участка соответствует влагосодержание 0,058 кг/кг, которое в большей степени характеризуется мономолекулярно-связанной влагой в казеине.
Значение влагосодержания 0,058 кг/кг близко к значению мономолекулярного слоя обезжиренного сухого молока (0,03 кг/кг), которое рассчитано М.Керилом по методу БЭТ (Гинзбург А.С, Савина И.М. Массовлагообменные характеристики пищевых продуктов: Справочник. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, с.55, 280 с.).
Преимущества описанного способа перед известным заключаются в том, что условия эксперимента приближены к реальным процессам сушки, при этом обезвоживание материала в печи дериватографа позволяет во много раз сократить длительность эксперимента, а также повышение точности и надежности измерений.
Полученная информация может быть использована при выборе способа сушки продуктов и технических устройств для их осуществления.
Способ определения количества водных фракций, характеризующихся энергией связи влаги с веществом, заключающийся в испытании измельченного влажного образца вещества в термографическом устройстве путем нагревания, сопровождающегося его высушиванием, с получением термограммы вещества и определением количества водных фракций, характеризующихся энергией связи влаги с веществом, по характерным изломам на кривой термограммы, характеризующей изменение температуры образца в процессе испытания, отличающийся тем, что в качестве термографического устройства используют дериватограф, а количество водных фракций определяют по однотипным участкам на деривативной термогравиметрической кривой, при этом значение влагосодержания материала соответствующее интервалам водных фракций, рассчитывают по формуле
,
где Ui - влагосодержание материала, соответствующее концу/началу однотипного участка на деривативной термогравиметрической кривой, кг влаги/кг сухих веществ; М - количество влаги в образце, равное количеству удаленной влаги в течение всего времени анализа, определяется по термогравиметрической кривой, мг; ΔGi - количество испарившейся из образца влаги, соответствующей концу/началу однотипного участка на деривативной термогравиметрической кривой, мг; G - навеска образца, мг.
