Интенсификация вакуумной сублимационной сушки матриксов на основе альгинат-хитозана на различных этапах процесса

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе проводится интенсификация вакуумной сублимационной сушки биополимерных матриксов альгинат-хитозана на каждой стадии ведения процесса: от предварительной заморозки до непосредственно самой сушки. В основной части статьи представлены и описаны конструкции установок для проведения процесса замораживания с ультразвуковым воздействием и сушки с инфракрасным и ультразвуковым воздействием. Проведена серия экспериментов по исследованию кинетики замораживания и сушки при различных режимах. Выявлено, что применение ультразвука на этапе заморозки позволяет формировать материалы с широкими направленными каналами в объеме полимерного каркаса, что впоследствии приводит к активному массопереносу влаги на этапе сушки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. К. Мохова

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Автор, ответственный за переписку.
Email: lizi5263@yandex.ru
Россия, Москва

М. Г. Гордиенко

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Email: lizi5263@yandex.ru
Россия, Москва

Н. В. Меньшутина

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Email: lizi5263@yandex.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Bedian L., Villalba-Rodriguez A.M., Hernandez-Vargas G., Parra-Saldivar R., Iqbal H. Bio-Based Materials with Novel Characteristics for Tissue Engineering Applications – A Review // Int. J. Biol. Macromol. 2017. V. 98. P. 837.
  2. Храмцов Д.П., Сулягина О.А., Покусаев Б.Г., Вязьмин А.В., Некрасов Д.А. Нестационарный массоперенос в гелях с микроорганизмами // Теорет. основы хим. технологии. 2023. Т. 57. № 1. С. 71.
  3. Silva A.C.Q., Silvestre A.J.D., Vilela C., Freire C.S.R. Natural Polymers-Based Materials: A Contribution to a Greener Future // Molecules. 2021. V. 27. № 1. P. 94.
  4. Farshidfar N., Iravani S., Varma R.S. Alginate-Based Biomaterials in Tissue Engineering and Regenerative Medicine // Mar. Drugs. 2023. V. 21. № 3. P. 189.
  5. Andersen T., Auk-Emblem P., Dornish M. 3D Cell Culture in Alginate Hydrogels // Microarrays. 2015. V. 4. № 2. P. 133.
  6. Gordienko M.G., Palchikova V.V., Kalenov S.V., Lebedev E.A., Belov A.A., Menshutina N.V. The Alginate–Chitosan Composite Sponges with Biogenic Ag Nanoparticles Produced by Combining of Cryostructuration, Ionotropic Gelation and Ion Replacement Methods // Int. J. Polym. Mater. Polym. Biomater. 2022. V. 71. № 1. P. 34.
  7. Freeze-drying: The Basic Process // Encyclopedia of Food and Health / Eds. Caballero B., Finglas P.M., Toldra F. Oxford: Academic Press, 2016. P. 104.
  8. Семенов Г.В., Краснова И.С. Развитие технологии сублимационной сушки в современной России // Сб. тр. Современные энергосберегающие тепловые и массообменные технологии (сушка, тепловые и массообменные процессы) СЭТМТ. М., 2023. С. 58–60.
  9. Stankiewicz A., Moulijn J.A. Process Intensification // Ind. Eng. Chem. Res. 2002. V. 41. № 8. P. 1920.
  10. Becht S. et al. An industrial view of process intensification // Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2009. V. 48. № 1. P. 329.
  11. Nowak D., Lewicki P.P. Infrared drying of apple slices // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2004. V. 5. № 3. P. 353.
  12. Duan X. et al. Trends in Microwave-Assisted Freeze Drying of Foods // Drying Technology. 2010. V. 28. № 4. P. 444.
  13. Carcel J.A. et al. Ultrasound Effects on the Mass Transfer Processes during Drying Kinetic of Olive Leaves (Olea Europea, var. Serrana) // DDF. 2010. V. 297–301. P. 1083.
  14. Mokhova E. et al. Ultrasonic freezing of polymers of various compositions before freeze drying: Effect of ultrasound on freezing kinetics and ice crystal size // Drying Technology. 2023. V. 41. № 10. P. 1663.
  15. Hottot A., Nakagawa K., Andrieu J. Effect of ultrasound-controlled nucleation on structural and morphological properties of freeze-dried mannitol solutions // Chemical Engineering Research and Design. 2008. V. 86. № 2. P. 193.
  16. Passot S. et al. Effect of Controlled Ice Nucleation on Primary Drying Stage and Protein Recovery in Vials Cooled in a Modified Freeze-Dryer // Journal of Biomechanical Engineering. 2009. V. 131. № 7. P. 5.
  17. Cogne C. et al. Theoretical model of ice nucleation induced by inertial acoustic cavitation. Part 2: Number of ice nuclei generated by a single bubble // Ultrasonics Sonochemistry. 2016. V. 28. P. 185.
  18. Mozdzierz N.J. et al. Mathematical modeling and experimental validation of continuous slug-flow tubular crystallization with ultrasonication-induced nucleation and spatially varying temperature // Chemical Engineering Research and Design. 2021. V. 169. P. 275.
  19. Morris L. et al. Dynamic monitoring of glycine crystallisation with low power ultrasound reflection spectroscopy // Chemical Engineering Research and Design. 2021. V. 170. P. 213.
  20. Ma X., Mei J., Xie J. Mechanism of ultrasound assisted nucleation during freezing and its application in food freezing process // International Journal of Food Properties. 2021. V. 24. № 1. P. 68.
  21. Garcia-Noguera J. et al. Ultrasound-Assisted Osmotic Dehydration of Strawberries: Effect of Pretreatment Time and Ultrasonic Frequency // Drying Technology. 2010. V. 28. P. 294.
  22. Chow R. et al. A study on the primary and secondary nucleation of ice by power ultrasound // Ultrasonics. 2005. V. 43. № 4. P. 227.
  23. Legay M. et al. Enhancement of Heat Transfer by Ultrasound: Review and Recent Advances // International Journal of Chemical Engineering. 2011. V. 2011. P. 1.
  24. Pan Z. et al. Study of banana dehydration using sequential infrared radiation heating and freeze-drying // LWT – Food Science and Technology. 2008. V. 41. № 10. P. 1944.
  25. Khampakool A., Soisungwan S., Park S.H. Potential application of infrared assisted freeze drying (IRAFD) for banana snacks: Drying kinetics, energy consumption, and texture // LWT. 2019. V. 99. P. 355.
  26. Krishnamurthy K. et al. Infrared Heating in Food Processing: An Overview // Comp Rev Food Sci Food Safety. 2008. V. 7. № 1. P. 2.
  27. Li A. et al. Medium and short-wave infrared drying: Principles, applications, and future trends // Drying Technology. 2023. P. 1.
  28. Xu H. et al. Effect of Power Ultrasound Pretreatment on Edamame Prior to Freeze Drying // Drying Technology. 2009. V. 27. № 2. P. 186.
  29. Brines C. et al. Influence of the Ultrasonic Power Applied on Freeze Drying Kinetics // Physics Procedia. 2015. V. 70. P. 850.
  30. Schössler K., Jäger H., Knorr D. Novel contact ultrasound system for the accelerated freeze-drying of vegetables // Innovative Food Science & Emerging Technologies. 2012. V. 16. P. 113.
  31. Мохова Е.К., Гордиенко М.Г., Меньшутина Н.В. Устройство для интенсификации процесса вакуумной сублимационной сушки с одновременным регулированием инфракрасного нагрева и сменного источника ультразвука в объеме рабочей камеры. Пат. 218559. 2023.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Исследование замораживания раствора сахарозы с применением ультразвука: образование кавитационного потока (а); рост дендритных кристаллов льда (б); фрагментация кристаллов при воздействии ультразвуком (в).

Скачать (45KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Классификация ультразвуковых волн в зависимости от частоты и мощности.

Скачать (20KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Принципиальная схема конструкции для ультразвуковой заморозки (а): 1 – чашка Петри, 2 – подставка, 3 – пьезоэлемент, 4 – термопара, 5 – морозильная камера, 6 – генератор ультразвука, 7 – источник питания, 8 – регистратор температуры, 9 – интерфейс RS-485, 10 – ПК; режим ультразвуковой обработки (б).

Скачать (57KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Схема установки (а): 1 – рабочая камера, 2 – конденсатор, 3, 4 – клапаны, 5 – компрессор, 6 – конденсатор с воздушным охлаждением, 7 – сборник, 8 – фильтр-осушитель, 9 – корпус, 10 – вакуумный насос, 12 – источник ИК, 13 – источник УЗ, 14 – датчик температуры, 15 – датчик влагосодержания, 16 – крышка установки, 17 – понижающий трансформатор, 19 – реле переключения, 20 – блок управления, 21 – персональный компьютер; внешний вид установки (б).

Скачать (46KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Кинетика замораживания образцов альгинат-хитоза- на: образец Алг-Хит (а), сравнение образцов Алг-Хит и Алг- Хит-УЗ (б).

Скачать (52KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Кинетика вакуумной сублимационной сушки образцов альгинат-хитозана: температура (а), влагосодержание (б).

Скачать (47KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Морфология поверхности матриксов на основе альгинат-хитозана: хаотическое распределение пор в объеме полимерного каркаса (а), образование микроканалов в полимерном каркасе, обработанном ультразвуком на этапе заморозки (б).

Скачать (106KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024