Aj sušenie je veda

Sušenie je významný technologický proces, pri ktorom sa vlhkosť poľnohospodárskych plodín upravuje tak, aby sa mohli dlhodobo skladovať. V najbližších číslach Quarku sa dozviete o genéze vývoja novej vákuovej sušiarne na sušenie biologických materiálov z dielne inovátorov zo Strojníckej fakulty STU v Bratislave.

Komplexný proces vývoja novo navrhovanej vákuovej sušiarne pre sušenie biologických, poľnohospodárskych plodín pozostáva z niekoľkých logicky nadväzujúcich etáp výskumu a vývoja. Okrem dôkladného poznania procesu sušenia je dôležité na začiatku spracovať analýzu existujúcich sušiacich zariadení na trhu, ako aj analýzu súčasných technológií sušenia poľnohospodárskych plodín vrátane požiadaviek kladených na známe technológie. Naším cieľom bolo porovnanie sušiarní z pohľadu ich výkonnostného parametra – teda množstva energie potrebného na odparenie jedného kilogramu vody. Pri analýze procesu sušenia sme venovali pozornosť predovšetkým požiadavkám kladeným na sušený materiál, čiže na parametre plodiny pred sušením a po ňom. Po prvotných analýzach sme navrhli skúšobné laboratórne zariadenie, na ktorom sme vykonali experimenty na overenie princípu vákuového sušenia. Na základe výsledkov sme navrhli konštrukciu modelu zariadenia s vyšším sušiacim výkonom.

Dôležitosť vody

Modulárna konštrukcia sušiarní, ilustrácia archív autorov

Poľnohospodárske plodiny sú vo väčšine prípadov biologické suroviny, ktoré majú vo svojej štruktúre a zložení koloidné kapilárno-pórovité látky. Obsahujú veľké množstvo mikroskopických pórov, mikrokapilár a makrokapilár, v ktorých sa nachádza voda schopná prechádzať z vnútorných častí na povrch a naopak.
Voda má pre všetky životné pochody biologického materiálu mimoriadny význam. Udržiava sa nielen na povrchu a v kapilárach, ale aj vnútri buniek. Znižovaním obsahu vody sa vytvárajú podmienky, pri ktorých sa biologická činnosť v surovine minimalizuje, čo umožňuje jej dlhodobé konzervovanie.
Pritom je potrebné dbať na to, aby sa zachovali úžitkové vlastnosti surovín. Vlhkosť je totiž nositeľom metabolizmu a látkovej výmeny s okolím. To znamená, že napríklad pri osivovom materiáli sa musí zachovať klíčivosť, pri ostatných zasa niektoré skupiny bielkovín, sacharidov, tukov, vitamínov a fermentov. Tie určujú kvalitu daného materiálu, resp. zlepšujú niektoré vlastnosti, ktoré sú dôležité pre jeho následné spracovanie na potraviny, krmoviny a prípadné priemyselné spracovanie.

Proces a spôsoby sušenia

Pod pojmom sušenie rozumieme fyzikálny proces, pri ktorom sa účinkom tepla znižuje obsah vlhkosti v látkach buď vyparovaním, odparovaním, alebo sublimáciou bez zmeny chemického zloženia sušenej suroviny. Znižovanie vlhkosti iným spôsobom ako tepelným (napr. mechanickým alebo chemickým) sa nepovažuje za sušenie.
Vlhkosť materiálu, ktorú sušením znižujeme, je definovaná ako obsah kvapaliny v kvapalnom, tuhom alebo plynom skupenstve (napr. vody, organických riedidiel) viazanej v materiáli inak ako chemicky. Poznáme absolútnu a relatívnu vlhkosť, pričom absolútna vlhkosť je obsah vlhkosti v materiáli vyjadrený ako podiel hmotnosti vlhkosti (MV) k hmotnosti sušiny (MS) a relatívna vlhkosť je obsah vlhkosti v materiáli ako percentuálny podiel hmotnosti vlhkosti (MV) k hmotnosti vlhkého materiálu (MM).
Rozlišujeme dva základné spôsoby sušenia. Ide o prirodzené sušenie, teda sušenie na vzduchu, pri ktorom okolie poskytuje potrebné teplo v závislosti od atmosférických podmienok. Umelé sušenie je zasa proces, pri ktorom je teplo privádzané z externého zdroja.

Statika, dynamika a väzbová energia

Medzi základné pojmy patria aj statika a dynamika sušenia. Statika určuje závislosť medzi veličinami charakterizujúcimi počiatočné a konečné parametre látok zúčastnených v procese sušenia. Okrem tejto energetickej a materiálovej bilancie sušiaceho deja hodnotí statika sušenia väzbu danej látky s vlhkosťou. Pri konkrétnej sušiarni analyzujeme pohyby hmotností a energií iba z hľadiska množstva, neštudujeme dynamiku týchto dejov.
Na druhej strane dynamika sušenia určuje súvislosti medzi zmenou vlhkosti vysušenej suroviny a parametrami sušiaceho pochodu. Určuje teda zmenu vlhkosti vysúšaného materiálu v mieste a čase v závislosti od mernej vlhkosti a väzby vlhkosti daného materiálu podľa rozdelenia teploty v hmote, spôsobu sušenia a druhu a konštrukcie sušiarne.
Keď nepoznáme potrebné závislosti, je nutné sledovať zmenu strednej vlhkosti materiálu v závislosti od parametrov sušenia a zostaviť rovnice na výpočet doby sušenia. Niekedy sa táto časť sušiarenskej teórie, ktorá patrí do dynamiky sušenia, nazýva aj kinematika sušenia.
Sušenie vlhkých materiálov je podmienené porušením väzby vlhkosti so sušinou, na čo je potrebná určitá energia. Túto energiu nazývame väzbová energia. Podľa veľkosti tejto energie je rozdelená väzba vlhkosti so sušinou do troch hlavných skupín. Prvou je chemická väzba, ktorú tvoria iónová väzba vnútri molekúl a molekulová väzba vnútri kryštálov. Druhou skupinou je fyzikálno-chemická väzba, kam patria adsorpčná väzba medzi molekulami vlhkosti a molekulami sušiny, osmotická väzba vnútri buniek a štrukturálna väzba v štruktúre gélov. Treťou skupinou je fyzikálno-mechanická väzba vznikajúca na povrchu materiálu a na vnútornom povrchu kapilár.

Druhy sušiacich zariadení

Pri procese sušenia dochádza k spotrebe energie potrebnej na odparenie vody v podobe tepla a difúznych dejov. Z tohto dôvodu sa sušiarne rozdeľujú podľa spôsobov dodávanej energie na konvekčné, kontaktné, radiačné, mikrovlnné a kombinované.
Najrozšírenejšími sú konvekčné sušiarne. Energia sa v nich v podobe tepla dodáva prostredníctvom prúdu vzduchu, ktorý zároveň slúži na odvod vlhkosti. Pri kontaktných sušiarňach je prenos energie zabezpečovaný prostredníctvom kontaktu sušeného materiálu so zdrojom tepla a vlhkosť sa samovoľne odvádza do okolitého vzduchu v podobe pary. Pri radiačných a mikrovlnných sušiarňach je princíp odvodu vlhkosti rovnaký ako pri kontaktných, pričom zdroj energie je privádzaný z prostredia.
Sušiarne sa ďalej rozdeľujú aj podľa spôsobu dopravy energie a odvodu vlhkosti z materiálu. Ďalšie možné rozdelenie je z hľadiska prevádzky zariadení periodické (dávkové) a kontinuálne. Pri periodickom prevádzkovaní sušiarní plyn kontinuálne prúdi a sušený materiál sa dávkuje periodicky, to znamená v časových intervaloch. Kontinuálne prevádzkovaná sušiareň sa líši tým, že sušený materiál je v ustálenom stave, a teda sušenie nie je priamo závislé od času.
Okrem toho delíme zariadenia na sušenie poľnohospodárskych zrnín aj z pohľadu mobility, a to na mobilné a stacionárne. Progresívnym znakom v konštrukcii sušiarní na sušenie poľnohospodárskych plodín je modulárna konštrukcia, pri ktorej pridávaním jednotlivých modulov zvyšujeme kapacitu sušiarne na požadovanú hodnotu.

Analýza jednotlivých typov

V analýze zariadení na sušenie poľnohospodárskych plodín sme sa zamerali na niekoľko významných výrobcov, ktorí ovládajú 90 až 95 % trhu so sušiarňami poľnohospodárskych zrnín. Sledovali sme najmä parametre ako model a typ zariadenia, konštrukčné vyhotovenie, teplotu sušenia, suroviny na sušenie (kukurica, obilie – jačmeň, pšenica; sója, ryža, slnečnica a iné), vstupnú a výstupnú vlhkosť, hodinový výkon zariadení v tonách a príkon zariadení.
Cieľom analýzy konkrétnych typov sušiarní bolo ich porovnanie z pohľadu výkonnostného parametra, ktorým je množstvo energie potrebné na odparenie jedného kilogramu vody.
S výsledkami analýzy a s naším navrhovaným inovatívnym riešením vás oboznámime v nasledujúcom čísle časopisu Quark.

Iveta Čačková, Viliam Čačko, Ľubomír Šooš
Strojnícka fakulta STU v Bratislave
Foto Pixabay
Príspevok vznikol v rámci projektu Výskum termických pochodov v procese znižovania vlhkosti organických materiálov, podporovaného Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky.