CC BY
25
УДК 637.143
Характерные особенности изменения реологических свойств водно-зерновых суспензий в процессе водно-тепловой и ферментативной обработки (ВТФО) зернового сырья
Новоселов А.Г., Чеботарь А.В., Ибрагимов Т.С. dekrosh@mail.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных
технологий, механики и оптики.
Институт холода и биотехнологий
Представлены результаты исследования реологических характеристик водно-зерновых суспензий. Получены данные по изменению коэффициента эффективной вязкости суспензии с гидромодулем 1:2,5 в зависимости от температуры и скорости сдвига при отсутствии ферментных препаратов. Ключевые слова: ВТФО, реология, водно-зерновая суспензия, эффективная вязкость
Необходимость проведения реологических исследований водно-зерновых суспензий обусловлена стремлением более глубокого понимания физических явлений происходящих в процессе водно-тепловой, ферментативной их обработки. Только на основе достоверных данных по физико-механическим свойствам обрабатываемого сырья в различных аппаратах возможно создание оптимальной конструкции, в которой технологические процессы будут проводиться наиболее эффективно.
В последнее время большое внимание со стороны отечественных исследователей уделяется производству этанола из ячменного зерна [1 - 6].
Однако большинство работ посвящено изучению влияния различных ферментных препаратов и их дозировки на выход этанола [4], предварительной подготовке зерна к ВТФО путем воздействия на него инфракрасным излучением [4,6], поиску новых способов проведения ВТФО и их аппаратурного оформления [5].
Практически все упомянутые выше публикации, в той или иной мере, отмечают существенное возрастание вязкости водно-зерновых суспензий в процессе ВТФО, независимо от того, в аппарате какой конструкции и в каком рабочем режиме этот процесс проводился. Эта проблема становится более острой в виду стремления проводить ВТФО при низких гидромодулях, т.е. с высоким содержанием твердой фазы в заторе, и с наименьшими энергетическими затратами, в первую очередь, тепловыми.
Для того чтобы найти наиболее эффективное решение необходимо понять явления, происходящие в суспензионных потоках, возникающих в каналах технологических аппаратов и коммуникационных трубопроводах.
Одним из методов познания является системный анализ физических процессов происходящих при ВТФО зернового сырья, включающий в себя проведение комплексных реологических исследований.
Анализ научных публикаций по реологическим характеристикам водно-зерновых суспензий [1, 4 - 6] показывает, что представленные данные носят крайне поверхностный характер, т.к. большинство исследователей не ставили своей задачей получение расчетных зависимостей для предсказания коэффициентов эффективной вязкости в широком диапазоне изменяющихся исходных параметров зерна и рабочих параметров процесса. В основном ставилась задача получить данные по относительному снижению эффективной вязкости суспензии при применении того или иного ферментного препарата, того или иного температурного режима и т.п.
Проведенные нами предварительные исследования реологических характеристик водно-зерновых суспензий, без применения каких-либо ферментных препаратов в диапазоне изменения температуры от 20оС до 90оС, позволили получить некоторые общие закономерности изменения эффективной вязкости при начальной концентрации твердой фазы в суспензии и скорости сдвига. Все представленные ниже результаты исследований были выполнены на ротационном вискозиметре марки Я2. Диапазон изменения скорости сдвига у составлял 1 ^ 437,4 с-1.
В отличие от ранее опубликованных нами данных в работе [2, 3] эксперименты проводились по измененной методике. В работе [2] эксперимент проводился следующим образом. Заранее подготовленная к реологическим измерениям проба водно-зерновой суспензии в объеме 30 мл помещалась в измерительный цилиндр и имела начальную температуру 20оС. Во всех экспериментах в качестве зернового сырья использовался измельченный ячмень со 100 %-ым проходом через сито с отверстиями 1 мм.
При этой температуре для каждого значения скорости сдвига (конструкция реотеста Я2 позволяла устанавливать 12 фиксированных значений сдвига) определяли /иэфф. Изменение скорости сдвига у вели от меньших к большим
значениям. Более того, при достижении максимального значения скорости сдвига начинали снижать значения у при данной температуре. При достижении первоначального значения скорости сдвига у =1 с-1 первый цикл измерений заканчивался, увеличивалась температура суспензии на 10 оС и эксперимент продолжался в той же последовательности. Длительность полного цикла измерений составляла ориентировочно 4 часа 36 минут. Она складывалась из длительности измерений каждого цикла, характеризующегося постоянной температурой - 24 минуты, в указанном диапазоне температур таких циклов 8 и времени необходимого для перехода на следующий температурный режим между циклами - около 12 минут.
В данной серии экспериментов методика их проведения заключалась в следующем. Устанавливались минимальная скорость сдвига у=1с-1 и минимальная температура - 20оС. Снималось значение ¡иэфф, которое мы
назвали начальной ]иэфф. Затем, при этой же скорости сдвига изменялась
температура суспензии на 1оС и, вновь фиксировалось ]эфф. Время проведения
каждого измерения ]лэфф строго фиксировалось по секундомеру. Таким
образом, один цикл измерений представлял собой набор значений ]эфф при
постоянной скорости сдвига, но при разных температурах. Следующий цикл проводился в той же последовательности, но при другом большем значении у. При этом проба того же гидромодуля готовилась заново. В этой серии опытов были измерены значения ] при тех же скоростях сдвига, что и в
предыдущей серии экспериментов.
Такая постановка эксперимента позволила исключить влияние изменения величины скорости сдвига на структурно-механические свойства суспензии в процессе нагрева.
Практический интерес представляют значения эффективной вязкости на этапе загрузки зернового материала в аппарат. Обычно формирование затора производится исходя из заданного значения гидромодуля. Учитывая общие тенденции промышленности к проведению ВТФО при низких значениях гидромодуля, т.е. при гидромодуле 1:2,5, (массовое отношение зерна и воды равно 1кг измельченного зерна на 2,5 кг воды, что соответствует массовой концентрации суспензии 0,4 кг/кг) ниже представлены данные именно для этого гидромодуля. При этом температура сформированного затора (начальная температура) была принята 20оС. Таким образом, будем считать, что именно с этой температуры водно-зерновая суспензия (затор) начинает подвергаться ВТФО.
Ниже представлены результаты наших исследований двух серий экспериментов, выполненных по двум вышеупомянутым методикам. Обращаем внимание читателя на то, что в обеих сериях экспериментов, разжижающие ферменты не вносились. Ставилась задача оценить изменение величины ]
только от температуры и, возможно, других физических факторов.
Графическая обработка полученных данных по изменению ]эфф от
температуры при постоянной скорости сдвига представлена на рис.1.
Рис.1. Зависимость !Лэфф от температуры ^ при скорости сдвига у = 3 с-1 гидромодуль 1:2,5 (вода измельченный ячмень)
Представленный на рис.1 характер изменения ¡иэфф от температуры
наблюдался для всех исследованных скоростей сдвига. Анализ кривых течения показывает наличие трех характерных зон плавно переходящих одна в другую по мере увеличения температуры. Первая зона (область температур 20^50°С) характеризуется небольшим снижением по мере увеличения температуры.
В этой области суспензия представляет собой классическую двухфазную смесь (жидкость - твердая фаза). Это можно объяснить снижением вязкости воды с повышением температуры. Темп снижения постепенно вырождается с повышением температуры до 50оС. Такое поведение кривых можно объяснить противоположным влиянием на температуры и концентрации
водорастворимых веществ, перешедших из зерна в воду. Вторая зона (область температур примерно 50^59оС) характеризуется постоянным значением 1лэфф.
Для разных скоростей сдвига температурные границы были различны, но все они входили в указанный выше диапазон. Третья область характеризовалась резким повышением вязкости суспензии. Выполненные исследования по второй методике позволили с достаточной степенью точности определить температуру начала процесса клейстеризации ^ которая лежала в диапазоне 52^59оС для всех исследованных скоростей сдвига. С этого момента начинается активное разжижение крахмальных зерен. Они становятся вязко-пластичными и активно разбухают, частично растворяясь в воде. Таким образом, двухфазная смесь с ярко выраженной твердой фазой превращается в аморфную, гелеобразную жидкость с уменьшающейся в размерах твердой фазой, что собственно и приводит к резкому увеличению . Диапазон температур,
характеризующий третью область, лежит в пределах к ^ Хтах . Значения Хтах были определены в экспериментах выполненных по первой методике. Для
большинства значений скоростей сдвига численные значения 1тах лежали в районе 85оС. В дальнейшем происходило снижение значений ]эфф.
Таким образом, можно констатировать, что в процессе ВТФО можно выделить три реперных значения ]эфф позволяющих контролировать процесс
ВТФО. Это начальная вязкость затора при температуре складки ]эфф
минимальное значение ]эфф во второй зоне кривой течения и максимальное
значение в третьей зоне кривой течения. Численные значения ]эфф в
реперных точках кривой течения различны и зависят от величины гидромодуля и скорости сдвига. Для гидромодуля 1:2,5 величина начальной ]лэ^ была
определена нами на основании результатов наших экспериментов по обеим методикам. Графическая обработка результатов этих экспериментов приведена на рис.2.
н?
Па-
V
... •
--
• N
ч
•
Г> с
Рис.2. Зависимость начальной ]Лэфф от скорости сдвига у при температуре 20оС для
гидромодуля 1:2,5
Как видно из рис. 2, на вязкость суспензии сильно влияет скорость сдвига. С увеличением скорости сдвига значение эффективной вязкости существенно уменьшается. При увеличении скорости сдвига от 1с-1 до 437с-1 значения ]эфф
уменьшается от 25 Па-с до 0,2 Па-с. Таким образом можно предположить, что складку затора целесообразно вести в условиях интенсивного движения суспензии или перемешивания. Спрогнозировать начальные значения ]гэфф для
гидромодуля 1:2,5 при заданной скорости сдвига можно по эмпирическому уравнению, Па-с
_ 22,5
Мэфф\ ~ 0,76
7
где у - скорость сдвига, с-1
Список литературы:
1. Громов С.И. Прогрессивная теплоэнергосберегающая схема механико-ферментативной обработки сырья для спиртовых заводов малой мощности //Ликероводочное производство и виноделие. - 2011. №3, С. 710
2. Ибрагимов Т.С. Реологические характеристики зерновых суспензий в процессе механико-ферментативной обработки / Ибрагимов Т.С., Чеботарь А.В., Свинцов Д.В., Новоселов А.Г. // Научный журнал СПбНИУ ИТМО [Электронный ресурс]. - Санкт-Петербург: СПб НИУИТМО, 2012. - №2. - сентябрь. - Режим доступа: http: //www. open-mechanics .com/j ournal s
3. Ибрагимов Т.С. Исследование теплофизических свойств зерновых суспензий в процессе механико-ферментативной обработки / Ибрагимов Т.С., Чеботарь А.В., Новоселов А.Г. // Научный журнал СПбНИУ ИТМО [Электронный ресурс]. - Санкт-Петербург: СПб НИУИТМО, 2012. - №2. -сентябрь. - Режим доступа: http: //www. open-mechanics. com/j ournals
4. Крикунова Л.Н., Сумина Л.И. Технология этанола на основе получения и сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя. Часть 1. Подбор мультиэнзимной композиции // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2009. №2, С. 51-54
5. Степанов В.И., Римарева Л.В., Иванов В.В. и др. Комплексная переработка зернового сырья и фильтрата барды по одностадийной экструзионно-гидролитической технологии. // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2011. № 1, С. 4-6.
6. Филатов В.В. и др. Инфракрасные технологии в переработке зернового сырья. // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2008. №8, С. 76-78
The features of changing the rheological properties of the water-grain suspense during the water-heating and ferment treatment (WHFT)
Novoselov A.G., Chebotar A.V, Ibragimov T.S.
Saint-Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and
Optics.
Institute of Refrigeration and Biotechnologies
In the article are shown results on studying of water-grain suspense rheological properties. Received results on changeover of the effective viscosity factor of the suspense with hydro module 1:2,5 depends on temperature and rate without ferments.
Key words, water-heat and ferment treatment (WHFT), rheology, water-grain suspense, effective viscosity
