Процессы адсорбции. Свойства адсорбентов, применяемых в производствах пищевых продуктов

Адсорбцией называют процесс поглощения вещества из смеси газов, паров или растворов поверхностью или объемом пор твердого тела – адсорбента.

Адсорбция газов на твердых поверхностях используется в некоторых отраслях пищевой промышленности, а именно масложировой (например, в производстве маргарина) и в бродильной (например, в производстве дрожжей) для очистки технологических газовых потоков с целью предотвращения выбросов вредных веществ в атмосферу. Поглощение паров воды происходит на пористых веществах, которые выполняют роль твердого адсорбента. Подобные процессы наблюдаются в отношении сахара, соли и сухарей. Адсорбционный способ регулирования газового состава хранилищ скоропортящихся продуктов позволяет в несколько раз сократить потери и увеличить сроки хранения. Адсорбция различных пищевых кислот, лимонной в частности, снижает по сравнению с водой поверхностное натяжение большинства прохладительных напитков. Адсорбция веществ на поверхности раздела жидкость – газ способствует устойчивости пен. Подобный процесс имеет место в бродильной промышленности при производстве дрожжей и некоторых других полупродуктов. Усиление смачивания водой различных поверхностей широко используется в промышленности в качестве сопутствующего процесса при мойке оборудования, подготовке сырья, обработке полуфабрикатов и т.д. Адсорбция на границе твердое тело – жидкость широко применяется при очистке жидкостей (например, диффузионного сока при производстве сахара, растительных масел и соков) от примесей.

Адсорбция всегда сопровождается выделением тепла. В большинстве случаев тепловой эффект адсорбции по своей величине приближается к теплотеконденсации поглощаемого газа или пара.

Адсорбцию подразделяют на два вида: физическую и химическую. Физическая адсорбция в основном обусловлена поверхностными вандервальсовыми силами, которые проявляются на расстояниях, значительно превышающих размеры адсорбируемых молекул, поэтому на поверхности адсорбента обычно удерживаются несколько слоев молекул адсорбата.

При химической адсорбции поглощаемое вещество вступает в химическое взаимодействие с адсорбентом с образованием на его поверхности обычных химических соединений.

Силы притяжения возникают на поверхности адсорбента благодаря тому, что силовое поле поверхностных атомов и молекул не уравновешено силами взаимодействия соседних частиц. По физической природе силы взаимодействия молекул поглощаемого вещества и адсорбента относятся в основном к дисперсионным, возникающим благодаря перемещению электронов в сближающихся молекулах. В ряде случаев адсорбции большое значение имеют электростатические и индукционные силы, а также водородные связи. Поэтому адсорбция является самопроизвольным процессом, течение которого сопровождается уменьшением свободной энергии и энтропии системы.

Процессы адсорбции избирательны и обратимы. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией, которую используют для выделения поглощенных веществ и регенерации адсорбента.

Наиболее рационально применять адсорбцию для обработки смесей с низкой концентрацией извлекаемых веществ.

Основными промышленными адсорбентами являются пористые тела, обладающие большим объемом микропор. Свойства адсорбентов определяются природой материала, из которого они изготовлены, и пористой внутренней структурой.

В промышленных адсорбентах основное количество поглощенного вещества сорбируется на стенках микропор (r 9 м). Роль переходных пор(10 -9 -7 м) и макропор ( r -7 м) в основном сводится к транспортированию адсорбируемого вещества к микропорам.

Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной способностью, определяемой максимально возможной концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента, его пористой структуры, природы поглощаемого вещества, его концентрации, температуры, а для газов и паров – от их парциального давления. Максимально возможную при данных условиях поглотительную способность адсорбента условно называют равновесной активностью.

По химическому составу все адсорбенты можно разделить на углеродные и неуглеродные. К углеродным адсорбентам относятся активные (активированные угли), углеродные волокнистые материалы, а также некоторые виды твердого топлива. Неуглеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алюминия, алюмагели, цеолиты и глинистые породы.

Активные угли, состоящие из множества беспорядочно расположенных микрокристаллов графита, обычно используют для поглощения органических веществ в процессах очистки и разделения жидкостей и газов (паров). Эти адсорбенты получают сухой перегонкой ряда углеродсодержащих веществ (древесины, каменного угля, костей животных, косточек плодов и др.). После этого уголь активируют, например прокаливают его при температуре 850-900 о С, что приводит к освобождению пор от смолистых веществ и образованию новых микропор. Активацию проводят также экстрагированием смол из пор органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Более однородная структура углей получается при их активации химическими методами: путем их обработки горячими растворами солей (сульфатами, нитратами и др.) или минеральными кислотами (серной, азотной и др.)

Качество активированных углей зависит от свойств исходных углеродсодержащих материалов и от условий активации. Характеристикой степени активации активированного угля является обгар, т. е. сгоревшая часть угля, выраженная в процентах от количества исходного материала.

Активированный уголь применяется при адсорбции либо в виде зерен величиной от 1 до 7 мм, либо в виде порошка. Зерна и порошок получают путем измельчения и классификации. Удельная активная поверхность активных углей выражается величиной от 600 до 1700 м 2 на один грамм. Применяются активированные угли главным образом для поглощения паров органических жидкостей, находящихся в газовых смесях, и для очистки различных растворов от примесей.

Серьезным недостатком этих углей является горючесть, и применять их можно при температурах не выше 200°. Для уменьшения горючести к ним подмешивают силикагель, однако такая добавка приводит к понижению активности адсорбента, поэтому активированные угли с добавкой к ним силикагеля практически применяют сравнительно редко.

Цеолиты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами, содержащими оксиды щелочных щелочноземельных металлов. Эти адсорбенты отличаются регулярной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами поглощаемых молекул. Особенность цеолитов состоит в том, что адсорбционные поверхности соединены между собой окнамиопределенного диаметра, через которые могут проникать только молекулы меньшего размера. На этом основано разделение смесей с разными по размеру молекулами, что послужило причиной называть цеолиты молекулярными ситами.

Для разделения газовых смесей применяют цеолиты в виде шариков или гранул размером от 1 до 5 мм, а для разделения жидких смесей – в виде мелкозернистого порошка.

Особенно широко цеолиты используют для глубокой осушки газов и жидкостей, в процессах очистки и разделения смесей веществ с близкой молекулярной массой, а также в качестве в качестве катализаторов и их носителей.

Для очистки жидкостей от различных примесей в качестве адсорбентов применяют природные глинистые породы. Эти глины для их активации обрабатывают серной или хлороводородной кислотами и получают адсорбент с удельной поверхностью пор порядка (1,0 ÷1,5)·10 5 м 2 /кг.

Источник

Адсорбция при хранении продуктов питания

АДСОРБЦИЯ В ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВАХ

Процесс поглощения одного или нескольких компонентов из смеси газов, паров или жидких растворов поверхностью твердого вещества — адсорбента называется адсорбцией. Процесс адсорбции подобно процессу абсорбции избирателен, т. е. из смеси поглощаются только определенные компоненты. Как и при абсорбции поглощенное вещество может быть выделено из адсорбента, например, при нагревании. Этот процесс регенерации — обновления абсорбента называется десорбцией.

Процессы абсорбции и адсорбции внешне похожи. Разница между ними заключается в том, что в одном случае вещество поглощается всем объемом жидкости, а в другом — только поверхностью твердого поглотителя — адсорбента.

В пищевой промышленности адсорбция применяется при очистке водно-спиртовых смесей в ликеро-водочном производстве, при очистке и стабилизации вин, соков и других напитков. В свеклосахарном производстве адсорбцией обеспечивается основная очистка диффузионного сока в процессе его сатурации, а также обесцвечивание сахарных сиропов перед кристаллизацией.

Равновесие при адсорбции

Количество вещества, поглощенного адсорбентом, зависит от концентрации поглощаемого вещества в парогазовой смеси или растворе, а также от температуры, при которой осуществляется процесс. Условия равновесия для адсорбции

Линии равновесия, соответствующие уравнениям (7.75) и (7.76), получили название изотерм сорбции. Изотермы сорбции (рис. 26) строят по опытным данным. Характер кривой изотермы сорбции зависит от многих факторов, в том числе от удельной поверхности адсорбента, объема пор, структуры и распределения пор, свойств поглощаемого вещества и, конечно, от температуры.

Движущая сила процесса адсорбции определяется как разность между рабочей и равновесной концентрациями поглощаемого вещества в парогазовой или жидкой фазах.

Рабочая линия для непрерывных процессов адсорбции соответствует уравнению (7.6).

В процессе адсорбции происходит выделение теплоты, что ведет к повышению температуры в системе и снижению активности адсорбента. Поэтому для поддержания скорости процесса в промышленных адсорберах предусматривают охлаждение адсорбента.

Количество поглощаемого вещества зависит от площади поверхности поглотителя. Поэтому адсорбенты обладают чрезвычайно развитой поверхностью, что достигается за счет образования большого количества пор в твердом теле.

Активированный уголь. Это самый распространенный адсорбент. Его получают сухой перегонкой дерева с последующей активацией — прокаливанием при температуре около 900 °С. Суммарная поверхность 1 г активированного угля 600. 1700 м2. Активированный уголь получают также из костей животных и других углеродсодержащих материалов. Размеры кусков активированного угля в зависимости от марки лежат в пределах от 1 до 5 мм. Активированный уголь лучше поглощает пары органических веществ, чем пары воды. Недостатками активированных углей являются их небольшая механическая прочность и горючесть.

Силикагели. Этот адсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Размер гранул силикагеля лежит в пределах от 0,2 до 7 мм. Суммарная поверхность 1 г силикагеля 400. 770 м2. Силикагели эффективно поглощают пары органических веществ, а также влагу из воздуха и газов. Поэтому гранулы силикагеля иногда используют при упаковке на хранение приборов и материалов, боящихся влаги. В отличие от активированного угля силикагель негорюч и обладает большой механической прочностью.

Цеолиты. Это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов первой и второй групп Периодической системы Д. И. Менделеева. Встречаются в природе и добываются карьерным способом. В промышленности чаще применяют синтетические цеолиты, обладающие весьма однородной структурой, с размерами пор, которые можно сравнить с размерами крупных молекул. Поэтому цеолиты обладают свойствами микрофильтра-ционных мембран.

Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и поэтому используются для глубокой осушки газов и воздуха с незначительным содержанием влаги. Гранулы промышленных цеолитов обычно имеют размеры от 2 до 5 мм.

Иониты. Это природные и искусственные адсорбенты, действие которых основано на химическом взаимодействии с очищаемыми растворами. Процессы с применением ионитов следует отнести к хемосорбции — адсорбции, сопровождаемой химическими реакциями. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами, называются анионитами. Иониты, содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами, называются катионитами. Существует группа аморфных ионитов, способных к анионному и катионному обменам одновременно. Наибольшее распространение в промышленности получили ионообменные смолы. Так, в сахарорафинадном производстве с помощью ионообменных смол осуществляют обесцвечивание сиропов. Смолы применяют также в некоторых случаях при обработке воды. Последние успехи в области синтеза ионитов позволяют надеяться на их успешное использование в нетрадиционных технологиях, например в производстве спирта-ректификата из спирта-сырца.

В качестве естественных адсорбентов в пищевой промышленности, например для осветления вин, используют мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин. С этой же целью применяют рыбий клей (желатин) и другие вещества.

Порядок расчета адсорберов аналогичен порядку расчета абсорберов. И только фиксированная поверхность массообмена, которую несложно определить, позволяет воспользоваться неко-торыми кинетическими уравнениями и более точно рассчитать требуемые размеры аппарата, не прибегая к определению числа ступеней изменения концентрации.

Материальный баланс. Уравнение материального баланса процесса адсорбции соответствует уравнению (7.3):

Кинетика процесса адсорбции. Процесс поглощения вещества при адсорбции в общем случае описывается критериальным уравнением для систем с твердой фазой:

Количество теплоты, выделяемое при адсорбции. Удельную теплоту адсорбции г (Дж/моль) обычно определяют опытным путем и для разных веществ приводят в справочниках. При отсутствии опытных данных можно воспользоваться следующим уравнением:

Источник

Адсорбция белка в пищевой промышленности — Protein adsorption in the food industry

Адсорбция белков означает адгезию белков к твердым поверхностям. Это явление является важным вопросом в пищевой промышленности , в частности , в переработке молока и вина и приготовления пива . Чрезмерная адсорбция или загрязнение белком может привести к проблемам со здоровьем и санитарии, поскольку адсорбированный белок очень трудно очистить и может содержать бактерии, как в случае с биопленками . Если адсорбированный материал мешает этапам обработки, например пастеризации, качество продукта может ухудшиться . Однако в некоторых случаях для улучшения качества пищевых продуктов используется адсорбция белка, как, например, при очистке вин.

Содержание

Адсорбция белка

Адсорбция белков и их засорение могут вызвать серьезные проблемы в пищевой промышленности (особенно в молочной промышленности ), когда белки из пищевых продуктов адсорбируются на обрабатываемых поверхностях, таких как нержавеющая сталь или пластик (например, полипропилен ). Обрастание белков — это скопление агрегатов белка на поверхности. Это наиболее распространено в процессах нагрева, которые создают температурный градиент между оборудованием и нагреваемым сыпучим материалом. В нагревательном оборудовании, загрязненном белками, адсорбированные белки могут создавать изолирующий слой между нагревателем и сыпучим материалом, снижая эффективность нагрева. Это приводит к неэффективной стерилизации и пастеризации. Кроме того, прилипшие к нагревателю белки могут вызывать привкус или окраску сыпучего материала. Кроме того, в процессах, в которых используется фильтрация, белковые агрегаты, которые собираются на поверхности фильтра, могут блокировать поток сыпучего материала и значительно снижать эффективность фильтра.

Примеры адсорбции

Пивной камень

Пивной камень — это накопление, которое образуется, когда оксалат, белки и соли кальция или магния из зерен и воды в процессе пивоварения осаждаются и образуют накипь на кегах, бочках и водопроводных трубах. Минералы адсорбируются на поверхность контейнера в первую очередь за счет притяжения заряда. Белки часто координируются с этими минералами в растворе и могут связываться с ними на поверхности. В других случаях белки также адсорбируются на минералах на поверхности, затрудняя удаление отложений, а также обеспечивая поверхность, на которой легко могут скрываться микроорганизмы. Если наросты пивного камня внутри линий разлива отслаиваются, это может отрицательно сказаться на качестве готового продукта, делая пиво мутным и привнося «неприятный» привкус. Это также вредно с точки зрения питания: оксалаты могут снизить абсорбцию кальция в организме, а также увеличить риск образования камней в почках.

Виноделие

Виноградные и винные белки имеют тенденцию к агрегированию и образованию помутнения и осадка в готовых винах, особенно в белых винах. Белки, вызывающие помутнение, могут сохраняться в вине из-за низкой скорости оседания или отталкивания заряда на отдельных частицах. Очищающие агенты, такие как бентонитовые глины, используются для осветления вина за счет удаления этих белков. Кроме того, белковые вещества, такие как альбумин, казеин или желатин, используются при осветлении вина для удаления дубильных веществ или других фенолов.

Биопленки

Биопленки это сообщество микроорганизмов , адсорбированных на поверхности. Микроорганизмы в биопленках заключены в полимерный матрикс, состоящий из экзополисахаридов, внеклеточной ДНК и белков. Через несколько секунд после того, как поверхность (обычно металл) помещается в раствор, неорганические и органические молекулы адсорбируются на поверхности. Эти молекулы притягиваются в основном кулоновскими силами (см. Раздел выше) и могут очень прочно прилипать к поверхности. Этот первый слой называется кондиционирующим слоем, он необходим для связывания микроорганизмов с поверхностью. Затем эти микроорганизмы обратимо прикрепляются силами Ван-дер-Ваальса , за которыми следует необратимая адгезия через самовоспроизводящиеся структуры прикрепления, такие как пили или жгутики. Биопленки образуются на твердых субстратах, таких как нержавеющая сталь. Полимерная матрица, покрывающая биопленку, обеспечивает защиту микробов, повышая их устойчивость к детергентам и чистящим средствам. Биопленки на поверхностях обработки пищевых продуктов могут представлять биологическую опасность для безопасности пищевых продуктов. Повышенная химическая стойкость биопленок может привести к постоянному загрязнению.

Молочная промышленность

Термическая обработка молока путем непрямого нагрева (например, пастеризация) для снижения микробной нагрузки и увеличения срока хранения обычно выполняется с помощью пластинчатого теплообменника . Поверхности теплообменника могут быть загрязнены отложениями адсорбированного молочного белка. Загрязнение начинается с образования монослоя белка при комнатной температуре, за которым следует агрегация, вызванная нагреванием, и отложение сывороточного белка и фосфата кальция. Адсорбированные белки снижают эффективность теплопередачи и потенциально влияют на качество продукта, препятствуя надлежащему нагреванию молока.

Механизмы адсорбции белка

Общей тенденцией во всех примерах адсорбции белка в пищевой промышленности является адсорбция минералами, которые сначала адсорбируются на поверхности. Этот феномен изучен, но до конца не изучен. Спектроскопия белков, адсорбированных на глинисто-подобных минералах, показывает вариации длин связей C = O и NH , что означает, что эти связи участвуют в связывании белков.

Кулоновский

В некоторых случаях белки притягиваются к поверхности из-за чрезмерного поверхностного заряда . Когда поверхность в жидкости имеет чистый заряд, ионы в жидкости адсорбируются на поверхность. Белки также имеют заряженные поверхности из-за заряженных аминокислотных остатков на поверхности белка. Затем поверхность и белок притягиваются кулоновскими силами.

Притяжение, которое белок испытывает к заряженной поверхности ( ), экспоненциально зависит от заряда поверхности, как описано следующей формулой: ϕ <\ displaystyle \ phi>

ϕ знак равно ϕ 0 е — Икс λ D <\ displaystyle \ phi = \ phi _ <0>e ^ <\ frac <-x><\ lambda _ >>>

Поверхностный потенциал белка определяется количеством заряженных аминокислот, которое он имеет, и его изоэлектрической точкой , pI.

Термодинамический

Адсорбция белка также может происходить в результате нагревания смеси. Адсорбция белка при переработке молока часто используется в качестве модели для этого типа адсорбции в других ситуациях. Молоко состоит в основном из воды и содержит менее 20% взвешенных веществ или растворенных белков. Белки составляют всего 3,6% молока и только 26% компонентов, не относящихся к воде. Все эти белки ответственны за загрязнение, которое происходит во время пастеризации .

Поскольку молоко нагревается во время пастеризации, многие белки в молоке денатурируются. Температура пастеризации может достигать 161 ° F (71,7 ° C). Эта температура достаточно высока, чтобы денатурировать расположенные ниже белки, снижая питательную ценность молока и вызывая загрязнение. Молоко нагревается до этих высоких температур в течение короткого времени (15–20 секунд), чтобы уменьшить степень денатурации . Однако засорение денатурированными белками по-прежнему является серьезной проблемой.

Денатурация обнажает гидрофобные аминокислотные остатки в белке, которые ранее были защищены белком. Открытые гидрофобные аминокислоты уменьшают энтропию окружающей их воды, делая ее благоприятной для поверхностной адсорбции. Часть β-лактоглобулина (β-lg) адсорбируется непосредственно на поверхности теплообменника или контейнера. Другие денатурированные молекулы β-Ig адсорбируются на мицеллах казеина , которые также присутствуют в молоке. По мере того как все больше и больше белков β-Ig связывается с мицеллой казеина, он образует агрегат, который затем диффундирует к теплообменнику и / или поверхности контейнера.

Биохимический

Хотя агрегаты могут объяснить большую часть загрязнения белком, обнаруживаемого при переработке молока, это не объясняет всего этого. Обнаружен третий тип загрязнения, который объясняется химическим взаимодействием денатурированных белков β-Ig.

β-Ig содержит 5 остатков цистеина, четыре из которых ковалентно связаны друг с другом, образуя связь SS. Когда β-Ig денатурируется, пятый остаток цистеина подвергается воздействию воды. Затем этот остаток связывается с другими белками β-lg, включая те, которые уже адсорбированы на поверхности. Это создает сильное взаимодействие между денатурированными белками и поверхностью контейнера.

Изотермы

Изотермы используются для количественной оценки количества адсорбированного белка на поверхности при постоянной температуре в зависимости от концентрации белка над поверхностью. Исследователи использовали модель изотермы Ленгмюра для описания экспериментальных значений адсорбции белка.

Γ знак равно V п C е А п е W а А c р Т + V п C е <\ displaystyle \ Gamma = <\ frac C_ > e ^ <<\ frac > > + V_

C_) >>>>

В этом уравнении

Это уравнение было применено к лабораторным условиям адсорбции белка при температурах выше 50 ° C из модельного раствора белка и воды. Это особенно полезно для моделирования белкового обрастания при переработке молока.

Удаление адсорбированных белков

Адсорбированные белки относятся к числу пищевых загрязнений, которые трудно удалить с поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами. В частности, денатурированные при нагревании белки (например, те, которые используются в молочной промышленности) плотно прилипают к поверхностям и требуют сильных щелочных очистителей для удаления. Важно, чтобы методы очистки позволяли удалять как видимые, так и невидимые белковые загрязнения. Необходимо удалить питательные вещества для роста бактерий, а также биопленки, которые могли образоваться на поверхности, контактирующей с пищей. Белки нерастворимы в воде, слабо растворимы в кислых растворах и растворимы в щелочных растворах, что ограничивает тип очистителя, который можно использовать для удаления белка с поверхности. Вообще говоря, сильнощелочные очистители с пептизаторами и смачивающими агентами наиболее эффективны для удаления белка с поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами. Температура очистки также важна для эффективного удаления белка. При повышении температуры активность чистящего состава увеличивается, облегчая удаление загрязнений. Однако при более высоких температурах (> 55 ° C) денатурация белков и эффективность очистки снижается.

Щелочные очистители

Щелочные чистящие средства относятся к составам с pH 7-14. Наиболее эффективно белки удаляются с поверхностей чистящими средствами с pH 11 и выше. Примером сильного щелочного чистящего средства является гидроксид натрия , также называемый каустической содой. Хотя гидроксид натрия (NaOH) может вызывать коррозию поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами, таких как нержавеющая сталь, он является предпочтительным чистящим средством для удаления белков из-за его эффективности в растворении белков и диспергировании / эмульгировании пищевых загрязнений. В эти очистители часто добавляют силикаты, чтобы уменьшить коррозию металлических поверхностей. Механизм щелочного очищающего действия белков состоит из трех этапов:

1. Образование геля: при контакте с щелочным раствором белковая почва набухает и образует удаляемый гель.
2. Удаление протеина: протеиновый гель удаляется посредством массообмена, в то время как чистящее средство продолжает диффундировать через почву, увеличивая образование геля.
3. Стадия разложения: протеиновый гель разрушился до такой степени, что превратился в тонкий слой. Удаление на этом этапе регулируется силами напряжения сдвига и массопереносом геля.

Гипохлорит часто добавляют в щелочные очистители для пептизации белков. Хлорированные очищающие средства действуют путем окисления сульфидных поперечных связей в белках. Скорость и эффективность очистки повышаются за счет увеличения диффузии очистителя в матрицу почвы, которая теперь состоит из более мелких и более растворимых белков.

Ферментные очистители

Очистители на основе ферментов особенно полезны для удаления биопленки. Бактерии довольно сложно удалить традиционными щелочными или кислотными очистителями. Ферментные очистители более эффективны для биопленок, поскольку они действуют как протеазы, расщепляя белки в местах прикрепления бактерий. Они работают с максимальной эффективностью при высоком pH и температуре ниже 60 ° C. Ферментные очистители становятся все более привлекательной альтернативой традиционным химическим очистителям из-за способности к биологическому разложению и других факторов окружающей среды, таких как снижение образования сточных вод и экономия энергии за счет использования холодной воды. Однако они обычно дороже, чем щелочные или кислотные очистители.

Источник