Интенсификация теплообмена в биологической среде

УДК 536.2
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В БИОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ
ЭЛЕКТРОПЛАЗМОЛИЗОМ
М.К. Болога, Н.И. Ботошан, С.Е. Берзой
Институт Прикладной физики АН Республики Молдова
Предложена модель изменения тепловых характеристик биологической среды
предварительным плазмолизом. Вычислены теплопроводность, и скорость ее изменения как функции от доли высвобожденной плазмолизом внутриклеточной жидкости. Получено выражение для эффективности интенсификации теплопереноса предварительной обработкой растительного сырья и построена диаграмма для различных
сред по содержанию сухих веществ.
Ключевые слова
Плазмолиз, теплоперенос, модель, эффективность.
Условные обозначения
λ - теплопроводность,
менения λ ,
Вт ; x,y,z - составные доли среды; κ - скорость изм*К
Вт ; R - эффективность, %.
м*К
Введение
Решающую роль в интенсификации переноса тепла при тепловой обработке
биологического сырья, играет жидкая фракция. Необработанное растительное сырье
содержит жидкую фракцию в основном во внутриклеточных вакуолях закрытых для
прямого доступа тепла клеточной мембраной и цитоплазмой богатой белками. Повышение температуры до значений выше температуры коагуляции белков стабилизирует
прямой доступ тепла к внутриклеточной жидкости, однако часть жидкости оказывается
закрытой в оболочке коагуляции белков цитоплазмы. В таком случае линейное моделирование переноса тепла растительной среды определено составным коэффициентом
теплопроводности, жидкой - l a и твердой изолирующей - l m фаз. Теплопроводность
растительной среды для стационарного распределения тепла до и после плазмолиза [1],
позволяет оценить эффективность интенсификации теплопереноса. Так как коэффициенты теплопроводности жидкой фракции и термоизоляционной клеточной оболочки
являются примерно постоянными величинами - la=0,58 Вт/(м*K) и lm=0,1 Вт/(м*K),
то значения коэффициента теплопроводности сырья оценены до и после обработки при
помощи полученных формул [1]. Доля жидкой фракции принята известной величиной
для заданного вида сырья, к примеру, для томатной пульпы она составляет x=0,9.
Предварительный плазмолиз биологической среды при температурах ниже температуры коагуляции белков уравновешивает роль теплопроводящих компонентов в
отношении переноса тепла, разрушая термоизоляционную преграду к вакуольной жидкости, что способствует увеличению коэффициента теплопроводности от начального
значения ln=0,4 Вт/(м*K) до конечного lp=0,55 Вт/(м*K). Притом интенсификация
2
переноса тепла для томатной массы подверженной предварительному плазмолизу, превышает 27,3%.
На рисунке 1 представлена диаграмма эффективности интенсификации тепловой
обработки в зависимости от доли жидкой фракции в растительном сырье для ассортимента различных биологических сред [1]. Максимальный эффект интенсификации ограничен значением жидкой фракции x=0,5, с понижением для x ,05. Принципиально
то, что для растительного сырья с содержанием влаги равном половине полного объема
среды эффект интенсификации максимальный.
Рис.1. Эффективность интенсификации теплопереноса в зависимости
от доли жидкой составляющей сырья.
1. Изменение теплопереноса биологической среды плазмолизом
Процесс передачи тепла в биологических средах характеризуется нестационарной теплопроводностью. В биологической среде вода является основным переносчиком
тепла с коэффициентом теплопроводности l a . Биологическая составляющая тканей
среды обладает коэффициентом теплопроводности уступающим по величине жидкой
фракции, примерно равным l m . Если эти компоненты сырья составляли бы однородную смесь, тогда теплопроводность была бы стационарной характеристикой среды, определяемым условием параллельного соединения тепловых сопротивлений составляющих:
l
,
(1)
где x и z доли компонентов в смеси.
Однако состояние воды в биологических средах, кроме части химически связанной воды, в отношении участия в теплопроводности неоднозначно [2]. Например, в
растительных средах значительная доля воды заключена во внутриклеточных вакуолях,
и лишь незначительная ее часть составляет внеклеточную жидкость. Таким образом,
вклад жидкой фракции в теплопроводность зависит от состояния клеточного строения
биологической среды. Свежие овощи и фрукты содержат до 90% жидкой фракции во
внутриклеточных вакуолях. По мере разрушения клеточного строения среды высвобождается внутриклеточная жидкость, увеличивая, тем самым, долю внеклеточной. Существуют различные способы обработки биологической среды с целью высвобождения
внутриклеточной жидкости, начиная от механического и термического и кончая ультразвуковым плазмолизом. В основном применяется термический способ, как наиболее
эффективный и энергосберегающий, однако он обладает существенным недостатком,
поскольку не позволяет осуществить полное высвобождение внутриклеточной жидкости. В определенном интервале температур белковая составляющая клетки - цитоплазма, подвержена коагуляции. При этом образуются замкнутые объемы, в которых часть
3
жидкости внутриклеточных вакуолей остается термически изолированной от внеклеточной жидкости. Поэтому, наиболее эффективным способом полного высвобождения
внутриклеточной жидкости растительных сред является электроплазмолиз. Предварительная обработка растительного сырья электрическим импульсным током разрушает
клеточное строение среды при температуре ниже температуры коагуляции белков [3].
Предложенная аналитическая модель процесса нестационарного переноса тепла
позволяет увязать уровень плазмолиза биологической среды с долей высвобожденной
внутриклеточной жидкости. Для этого выделим три основные компоненты биологической среды: x - доля внеклеточной жидкости, y - доля внутриклеточной жидкости, z доля биологических тканей среды. В таком аспекте, биологическая среда состоит из
трех выделенных составляющих, удовлетворяющих условию полноты:
z 1.
Перенос тепла в такой среде осуществляется по двум различным каналам: через внеклеточную жидкость и через клеточные ткани и внутриклеточную жидкость. Теплопроводность по второму каналу как в случае последовательного соединения тепловых
сопротивлений составляющих, и равна:
(1 x)
) (
am
lk
.
lm )
(2)
Теплопроводность среды зависит нелинейно от содержания внеклеточной жидкости, доля которой определяется уровнем плазмолиза среды. Фактически она составляется как сумма тепловых сопротивлений параллельно соединенных указанных каналов.
zx)
1( )
z (
) (
a
l )m
.
lm )
Таким образом, свежей, растительной среде, соответствует x
ется коэффициентом теплопроводности
l0( , z)
am
( )
1
.
(3)
0 , и характеризу-
(4)
Эта формула указывает, что чем меньше доля сухой составляющей среды, тем
ближе значение ее теплопроводности к теплопроводности воды и это характерно для
двухкомпонентных смесей и является вполне осмысленным результатом.
Интересен случай полного плазмолиза, когда x =1 z . Как уже отмечалось полному плазмолизу соответствует гомогенизированная среда, для которой теплопроводность определяется известным соотношением теплопроводности однородной
смеси:
1( , )
z l (1 z) .
(5)
На рисунке 2 представлена зависимость коэффициента теплопереноса в биологической среде от уровня внеклеточной высвобожденной жидкости x .
Изменение теплопроводности наиболее существенно для биологических сред с
большим содержанием сухих веществ. Малое содержание биологических тканей ука-
4
зывает на необходимость разрушения небольшого объема клеточных тканей, что естественно позволяет незначительно интенсифицировать теплоперенос. Основным результатом предварительного плазмолиза является сближение коэффициента теплопереноса
биологической среды к теплопереносу в жидкости. Поэтому в конце плазмолиза различные виды биологического сырья по содержанию уровня биологических тканей
имеют почти одинаковый по величине коэффициент теплопереноса. Отметим, что на
Вт м , а содержание сухих веществ указаны
приведенных графиках принято l m ,01
*К
для каждой кривой.
Рис.2. Зависимости коэффициента теплопереноса в биологической среде
от доли высвобожденной плазмолизом жидкости.
2. Скорость и эффективность электроплазмолиза при интенсификации теплопереноса
Скорость изменения теплопереноса в биологической среде зависит от величины
z , характеризующей содержание биологических тканей в клеточном ее строении (см.
рис.2). Эта характеристика позволяет оценить энергетические затраты на предварительную обработку биологического сырья приводит к интенсификации теплопереноса.
Определение скорости изменения теплопереноса среды плазмолизом можно выполнить, вычисляя производную от теплопроводности lzx)
по содержанию высвобожденной влаги x
zx)
z
(6)
m
a
.
a
)
(
l )
2
Любопытно, что в начале предварительного плазмолиза биологического сырья
скорость изменения теплопереноса k0( , z) зависит от уровня содержания в нем биологических тканей, а в конце обработки перестает зависеть от него 2
)(
k1(
, )am
. Важно то обстоятельство, что скорость изменения коэффициенla
та теплопереноса зависит от квадрата разности,ma определяющей целесообраз- ность
предварительного плазмолиза для улучшения теплопереноса биологической сре- ды.
Другой значимой характеристикой предварительного плазмолиза биологической
среды является эффективность обработки. Естественно, эффективность предварительного плазмолиза зависит от уровня содержания внутриклеточной жидкости в среде перед обработкой. Это обстоятельство накладывает определенные обязанности на уро-
5
вень содержания биологических тканей - клеточных мембран и протоплазмы. Относительное изменение теплопереноса биологической среды в результате плазмолиза характеризуется отношением разности l1(
, ) l (0, z) к теплопроводности среды в конце
полного плазмолиза l1(
, ) . Эта характеристика, выраженная в процентах, аналогично случаю стационарной модели [1], определяет эффективность предварительного
плазмолиза при изменении теплопереноса биологической среды
2
R
a
m
a
2
m
(1 )
100% .
(1 ) l l
(10)
Эффективность плазмолиза в зависимости от содержания сухих веществ в биологической среде представлена на рисунке 3.
Рис.3. Диаграмма эффективности интенсификации теплопереноса для
биологических сред с различным содержанием сухих веществ.
Куполообразная кривая указывает, что максимальная эффективность предварительного плазмолиза среды с целью интенсификации теплопереноса присуща биологическим средам с содержанием биологической массы сухих веществ равной полному
содержанию жидкой фракции. Поэтому эффективность интенсификации теплопереноса
на примере производства томатной пасты не может превышать 30%.
Выводы
Проведенный анализ позволяет определить целесообразность применения предварительного плазмолиза и уровень эффективности интенсификации теплопереноса в
биологической среде.
Отметим, что оценки характеристик интенсификации теплопереноса по аналитической модели полностью подтверждаются результатами производственных испытаний. Кроме того, модельные характеристики позволяют прогнозировать как эффективность предварительного плазмолиза для интенсификации теплопереноса, так и энергетические затраты на обработку сырья. Таким образом, аналитические характеристики
интенсификации теплопереноса могут быть использованы в реальных условиях пищевой перерабатывающей промышленности.
Литература
1. Болога М.К., Ботошан Н.И., Берзой С.Е. Интенсификация переноса тепла электроплазмолизом. Промышленная теплотехника. 2003. Том 25, № 4. стр. 290-292.
2. Нобел П. Физиология растительной клетки. М.,1973.
3. Берзой С.Е., Ботошан Н.И., Болога М.К. Электроплащзмолиз - состояние развития и
некоторые перспективы. Электронная обработка материалов. 2000. №5. стр.126-132.