Удосконалення процесів та обладнання для виробництва солоду

Зволожування зернівок здійснюється через напівпроникну оболонку і швидкість цього процесу залежить від характеристик води і у тому числі від її температури. Підвищення останньої прискорює проникнення води, але віддаленим негативним результатом цього є помітне погіршення оцукрювання в процесах підготовки заторів.

Рушійною силою, яка зумовлює проникнення води у зернівку традиційно вважається градієнт концентрації на поверхні (100 %) і всередині зерна (на початку замочування 12-14 %). Однак на основі феноменологічних міркувань з врахуванням ефектів напівпроникної оболонки зернівки можливо прийти до висновку про те, що градієнт концентрації не єдиний чинник міграції води, оскільки має місце осмомолекулярна дифузія. На підтвердження цієї гіпотези відмітимо наступне.

Відомо, що пройшовши кілька шарів оболонки, вода поглинається колоїдами ядра, насичуючи всі клітини. Однак розподіл води в зерні суттєво нерівномірний. Найбільше її проникає через мікрокапіляри у зародок (до 75 %), тоді як в інших частинах зернівки волога не перевищує 50 %. У середньому тканини зернівки здатні поглинути до 70 % води. Найбільше її можуть поглинути білкові з'єднання (до 80 % сухої речовини), крохмаль (до 70 %) і клітковина (до 30 %). Наведені дані вказують на те, що стосовно розподілу вологи в зернівці не виконується закон найбільш вірогідного стану, за яким не повинен існувати градієнт концентрації у її різних складових. Пояснення такій невідповідності слід віднести на осмотичні тиски розчинів різних хімічних речовин, їх молекулярної маси, концентрації тощо.

Пом'якшення технологічної води означає зменшення її осмотичного тиску, що означає можливість прискорення процесів замочування.

Активація зволоження за підвищення температури середовища "зернова маса + вода" також пояснюється в рамках гіпотези. У відповідності до закону Ван-Гоффа маємо залежність:

, (3)

де Р - осмотичний тиск розчину, кПа; С - молярність розчину, моль/л; R = 8,314 Дж/(моль·К) - газова стала; Т - абсолютна температура; n - кількість розчиненої речовини, що дорівнює її масі m, поділеній на мольну масу М; V - об'єм середовища.

Оскільки узагальнений коефіцієнт пропорційності mR/(MV) в залежності осмотичного тиску Р від температури Т стосовно розчинених структур зернівки суттєво більший за осмотичний тиск води, то це означає зростання рушійної сили зі збільшенням температури.

Особливості газообміну і масопередачі в середовищі. Підвищення вологості зерна підсилює перебіг біохімічних процесів і дихання, що потребує підвищення у споживанні кисню. Теоретичне співвідношення між кількістю споживаного кисню і утворюваного СО2 відоме. З однієї молекули кисню утворюється одна молекула діоксиду вуглецю. При цьому дихальний коефіцієнт, тобто відношення об'ємів СО2 і О2, дорівнює одиниці. Оскільки окислення органічних речовин відбувається під дією кисню, що поставляється зволожувальною водою, то очевидним є існування кореляції між цими двома потоками.

Аналіз літературних джерел приводить до висновку про відсутність рекомендацій стосовно рівня насичення води киснем. Проте, якщо вважати зволожувальну воду "синхронним" транспортним засобом кисню, то концентрацію О2 у замочувальній воді доцільно мати на рівні насичення.

Визначимо максимально можливу кількість кисню, який транспортується вологою в процесі замочування. Відомо, що зернова маса складає початкову вологу Wп = 12 % і нехай кінцева складає 48 %. Тоді до 1 т зерна з початковою вологою 12 % додається 360 кг води.

Кількість кисню, доставлена у процесі замочування:

кг.,

де сн - константа насичення води на О2.

За умови, що кількість витрачених на дихання сухих речовин за весь цикл складе 0,5 %, потрібна кількість кисню становить 7,04 кг. Порівняння одержаних на основі матеріальних балансів даних вказує на можливість використання запропонованих гіпотез щодо перебігу процесів масообміну, однак відсутність повного балансу свідчить про існування інших шляхів транспортування кисню через оболонки зернівки. Швидше за все - це дифузія, за якої проникають молекули кисню і видаляються молекули діоксиду вуглецю. При цьому для останнього не існує іншого способу видалення у відповідності до загальновизнаного перебігу біохімічних перетворень у зернівці. Таким чином, слід прийти до висновку про необхідність поповнення кисню у рідинній фазі середовища на протязі процесу замочування і безперервного відведення діоксиду вуглецю.

Транспорт вологи в зернівку на першому етапі слід розглядати як фізичний процес, результатом якого є зниження осмотичного і зростання фізичного Рф тисків. Від початку біохімічних перетворень (дихання) і з синтезом СО2 має місце порушення усталеної динаміки зниження осмотичного тиску за рахунок накопичення діоксиду вуглецю. Зростання фізичного тиску у вологій частині зернівки підвищує розчинність СО2, що сприяє зростанню його концентраційного градієнту в системі "зернівка - вода" і спряженому потоку десорбції.

Оцінку перспектив інтенсифікації масообмінних потоків слід виконувати з оглядом на те, що їх перебіг пов'язано з біохімічними реакціями ресинтезу складних органічних сполук.

Насичення води діоксидом вуглецю додатково змінює рушійну силу процесу замочування і сприяє обмеженню різниці осмотичних тисків в ній і зернівці.

Наведені міркування приводять до висновку про доцільність біохімічних, біологічних і масообмінних вимог зниження концентрації розчиненого діоксиду вуглецю. З цієї точки зору подвійний позитивний вплив має перемішування середовища за рахунок аерації. Ця подвійність впливів пов'язана, по-перше, зі зміною гідростатичних тисків в локальних об'ємах, що змінюють вертикальну координату, а, по-друге, в процесі аерації відбувається масообмін по СО2 в газорідинному середовищі.

Аерація разом з зароджуваною газовою фазою СО2 спричиняють вертикальну циркуляцію середовища. Тобто поруч з висхідними потоками існують опускні, енергетичний рівень яких в значній мірі визначається рівномірністю розподілу повітря по поперечному перерізу замочувального апарата.

На коефіцієнти масопередачі впливають гідродинамічні режими системи, фізико-хімічні параметри, наявність поверхнево-активних речовин, забруднюючих речовин тощо. Суттєвим недоліком є потрапляння у середовище мінеральних мастил.

Масляна плівка навіть на рівні моношару суттєво впливає на масообмін зернівки з рідинним середовищем. Радикальним рішенням є відмова від використання стиснутого повітря заводської мережі і перехід на використання безмасляних компресорів або ежекційних масообмінних пристроїв. Припустимо, що через останній за одиницю часу пропускається маса води mв, яка ежектує V м³ повітря. Вказана вода подається насосом із замочувального апарата і має концентрацію розчиненого діоксиду вуглецю на рівні сн. В результаті взаємодії рідинного і повітряного потоків буде мати місце перерозподіл СО2 між ними. Встановимо закономірність, за якою буде визначатися вказаний перерозподіл.

Загальна кількість діоксиду вуглецю, що приймає участь у взаємодії:

. (4)

На основі матеріального балансу після взаємодії одержуємо:

, (5)

де - маса СО2, що перейшла у газову фазу.

Відомо, що парціальний тиск Р газу визначається залежністю:

, (6)

де - молекулярна вага; R - газова стала.

Підстановкою парціального тиску Р у рівняння (4) одержуємо:

, (7)

З одержаної залежності витікає, що кількість десорбованого діоксиду вуглецю залежить від співвідношення масового потоку води і об'ємного потоку повітря, константи Генрі, початкового значення сн.

Одночасно з процесом десатурації відбувається насичення рідинної фракції киснем. При цьому максимальний рівень насичення відповідає значенню , яке визначається з урахуванням тиску і температури середовища.

Досягнення стану насичення по кисню і найбільшого рівня десорбції СО2 пов'язане з необхідністю використання ефективних масообмінних апаратів.

У зв'язку з викладеним пропонується удосконалення пристрою для замочування зерна (рис. 2).