Процесс кристаллизации сахара
25-04-2017, 17:55
Процесс кристаллизации состоит из двух самостоятельных явлений: 1) первичное появление (заводка) кристаллов, появление, следовательно, центров кристаллизации; 2) нарастание этих центров с определенной скоростью (скорость кристаллизации).
Появление центров кристаллизации. Для многих веществ (а особенно для сахара) самопроизвольное появление центров кристаллизации идет лишь с большим трудом. Если нет частиц пыли, толчков, готовых кристаллов сахара, то можно достигнуть чрезвычайно высоких пересыщений без образования кристаллов.
В настоящее время затравку кристаллов вносят в аппарат ч виде сахарной пудры. Это является более надежным методом и ведет к более быстрому образованию кристаллов при меньшем пересыщении.
Когда в достаточно пересыщенный раствор (лабильная зона) попали первые кристаллы, они не остаются в прежнем количестве, а увеличиваются в числе; сахарная пудра является лишь затравкой, вызывающей быстрое образование новых кристаллов. Поэтому заводят кристалл, внося в сгущенный раствор и 10 и 500 г сахарной пудры. При этом в первом случае образуется много новых кристаллов, создается большое пересыщение (например, 1,4), а во втором — малое пересыщение (например, 1,10—1,15), причем новых кристаллов или совсем не образуется, или образуется очень мало.
Для образования более равномерных кристаллов рекомендуется применять всегда одинаково отсеянную сахарную пудру.
Механизм образования новых кристаллов наряду с заданными еще недостаточно ясен. Можно составить себе такую кинетическую картину процесса. На грани кристалла и раствора всегда происходят два процесса: 1) осаждение молекул растворенного вещества на грань кристалла и 2) отрыв молекул от грани кристалла — переход в раствор. В ненасыщенном растворе преобладает второй процесс, в пересыщенном — первый; в насыщенном имеем подвижное равновесие. При отрыве молекул сахара от грани кристалла могут, вероятно, отрываться и группы молекул, которые при достаточном пересыщении (лабильная зона) делаются самостоятельными центрами кристаллизации, а при недостаточном пересыщении (метастабильная зона) эти группы окончательно распадаются, растворяются, так как растворимость таких мелких образований значительно больше нормальной растворимости сахара и, таким образом растут лишь имеющиеся кристаллы, но не образуется новых кристаллов.
При наличии затравки скорость дальнейшего образования центров кристаллизации увеличивается с увеличением пересыщения.
Если желаем прекратить образование новых кристаллов, достаточно лишь снизить пересыщение для сахара (например, ниже 1,10). При этих более низких пересыщениях идет лишь рост уже готовых центров кристаллизации без образования новых. Здесь главное значение имеет скорость этого процесса — скорость кристаллизации.
Количество выкристаллизовавшегося сахара. Количество выкристаллизовавшегося сахара пропорционально поверхности имеющихся кристаллов и времени кристаллизации. Эта зависимость сама собой понятна и, кроме того, подтверждена рядом опытов Андреева. Скоростью кристаллизации (К) называется количество сахара (в мг), выкристаллизовывающегося за 1 мин на 1 м2 поверхности кристаллов. Таким образом, количество сахара (5 мг), кристаллизующееся за время х мин на поверхности кристаллов F м2, будет выражаться следующим равенством:
Величина поверхности каждого кристалла сахара зависит от его массы и может быть приблизительно выражена следующей формулой (Кухаренко и сотрудники):
где р — масса одного кристалла сахара, г; f — поверхность кристалла сахара, см.
Так как количество кристаллизующегося сахара пропорционально поверхности кристаллов, то очевидно, что кристаллизация будет проходить легче и заканчиваться скорее, когда кристаллы утфеля мельче (а число их больше), так как суммарная поверхность кристаллов в этом случае будет больше. При мелких кристаллах меньше опасность вторичного образования новых центров кристаллизации, т. е. меньше опасность завести кристальную «муку». Поэтому при современных быстрых темпах уваривания обычно варят кристалл довольно мелкий — 5 тыс. кристаллов в 1 г (крупным считается сахар с 2 тыс. кристаллов и слишком мелким — с 10 тыс. кристаллов в 1 г).
Каганов предложил скоростью кристаллизации Kl называть линейную скорость роста кристалла, т. е. увеличение длины кристалла в микронах в минуту (микрон равен 0,001 мм). Скорость кристаллизации, выраженная по Каганову, в 500 раз меньше обычной скорости кристаллизации К (в мг на 1 м2 в 1 мин), т. е.
Например, при пересыщении а = 1,06 при температуре 70° С скорость кристаллизации К = 2370; следовательно, по Каганову, линейная скорость кристаллизации
Если желаем вырастить кристалл длиной 1,0 мм, то для этого потребуется
Как видим, понятие о линейной скорости кристаллизации весьма удобно и наглядно.
Быть может, было бы еще удобнее выражать линейную скорость кристаллизации не в мкм/мин, а в мм/ч. Но тогда Kl будет уже в 8333 раза меньше К, т. е. Kl = K/8333.
Появление центров кристаллизации. Для многих веществ (а особенно для сахара) самопроизвольное появление центров кристаллизации идет лишь с большим трудом. Если нет частиц пыли, толчков, готовых кристаллов сахара, то можно достигнуть чрезвычайно высоких пересыщений без образования кристаллов.
В настоящее время затравку кристаллов вносят в аппарат ч виде сахарной пудры. Это является более надежным методом и ведет к более быстрому образованию кристаллов при меньшем пересыщении.
Когда в достаточно пересыщенный раствор (лабильная зона) попали первые кристаллы, они не остаются в прежнем количестве, а увеличиваются в числе; сахарная пудра является лишь затравкой, вызывающей быстрое образование новых кристаллов. Поэтому заводят кристалл, внося в сгущенный раствор и 10 и 500 г сахарной пудры. При этом в первом случае образуется много новых кристаллов, создается большое пересыщение (например, 1,4), а во втором — малое пересыщение (например, 1,10—1,15), причем новых кристаллов или совсем не образуется, или образуется очень мало.
Для образования более равномерных кристаллов рекомендуется применять всегда одинаково отсеянную сахарную пудру.
Механизм образования новых кристаллов наряду с заданными еще недостаточно ясен. Можно составить себе такую кинетическую картину процесса. На грани кристалла и раствора всегда происходят два процесса: 1) осаждение молекул растворенного вещества на грань кристалла и 2) отрыв молекул от грани кристалла — переход в раствор. В ненасыщенном растворе преобладает второй процесс, в пересыщенном — первый; в насыщенном имеем подвижное равновесие. При отрыве молекул сахара от грани кристалла могут, вероятно, отрываться и группы молекул, которые при достаточном пересыщении (лабильная зона) делаются самостоятельными центрами кристаллизации, а при недостаточном пересыщении (метастабильная зона) эти группы окончательно распадаются, растворяются, так как растворимость таких мелких образований значительно больше нормальной растворимости сахара и, таким образом растут лишь имеющиеся кристаллы, но не образуется новых кристаллов.
При наличии затравки скорость дальнейшего образования центров кристаллизации увеличивается с увеличением пересыщения.
Если желаем прекратить образование новых кристаллов, достаточно лишь снизить пересыщение для сахара (например, ниже 1,10). При этих более низких пересыщениях идет лишь рост уже готовых центров кристаллизации без образования новых. Здесь главное значение имеет скорость этого процесса — скорость кристаллизации.
Количество выкристаллизовавшегося сахара. Количество выкристаллизовавшегося сахара пропорционально поверхности имеющихся кристаллов и времени кристаллизации. Эта зависимость сама собой понятна и, кроме того, подтверждена рядом опытов Андреева. Скоростью кристаллизации (К) называется количество сахара (в мг), выкристаллизовывающегося за 1 мин на 1 м2 поверхности кристаллов. Таким образом, количество сахара (5 мг), кристаллизующееся за время х мин на поверхности кристаллов F м2, будет выражаться следующим равенством:
Величина поверхности каждого кристалла сахара зависит от его массы и может быть приблизительно выражена следующей формулой (Кухаренко и сотрудники):
где р — масса одного кристалла сахара, г; f — поверхность кристалла сахара, см.
Так как количество кристаллизующегося сахара пропорционально поверхности кристаллов, то очевидно, что кристаллизация будет проходить легче и заканчиваться скорее, когда кристаллы утфеля мельче (а число их больше), так как суммарная поверхность кристаллов в этом случае будет больше. При мелких кристаллах меньше опасность вторичного образования новых центров кристаллизации, т. е. меньше опасность завести кристальную «муку». Поэтому при современных быстрых темпах уваривания обычно варят кристалл довольно мелкий — 5 тыс. кристаллов в 1 г (крупным считается сахар с 2 тыс. кристаллов и слишком мелким — с 10 тыс. кристаллов в 1 г).
Каганов предложил скоростью кристаллизации Kl называть линейную скорость роста кристалла, т. е. увеличение длины кристалла в микронах в минуту (микрон равен 0,001 мм). Скорость кристаллизации, выраженная по Каганову, в 500 раз меньше обычной скорости кристаллизации К (в мг на 1 м2 в 1 мин), т. е.
Kl = 1/500 K
Например, при пересыщении а = 1,06 при температуре 70° С скорость кристаллизации К = 2370; следовательно, по Каганову, линейная скорость кристаллизации
Kl = 2370/500 4,74 мкм/мин, или 0,00474 мм/мин.
Если желаем вырастить кристалл длиной 1,0 мм, то для этого потребуется
1,0/0,00474 = 211 мин.
Как видим, понятие о линейной скорости кристаллизации весьма удобно и наглядно.
Быть может, было бы еще удобнее выражать линейную скорость кристаллизации не в мкм/мин, а в мм/ч. Но тогда Kl будет уже в 8333 раза меньше К, т. е. Kl = K/8333.