CC BY
23
»---1
I- - ■■
УДК 663.812:538
Проведены исследования процессов гомогенизации крахмалосодер-жащих смесей с применением метода дискретно-импульсного ввода энергии. Получены гистограммы распределения частиц крахмала. Определена зависимость соотношения оптической плотности раствора от скорости сдвига потока, обрабатываемой среды. Установлено, что обработку крахмалосодержа-щих смесей следует проводить с применением роторно-пульсацион-ного аппарата при скорости сдвига потока 50103 1/с.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОМОГЕНИЗАЦИИ КРАХМАЛО-СОДЕРЖАЩИХ СМЕСЕЙ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ОБЩЕСТВЕННОГО ПИТАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ДИСКРЕТНО-ИМПУЛЬСНОГО ВВОДА ЭНЕРГИИ (ДИВЭ)
А.Н. Ободович
Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела теплофизических основ энергосберегающих технологий Институт технической теплофизики НАН Украины ул. Желябова, 2а, г. Киев, 03057. Контактный тел: (044) 424-02-79, тел/факс (044) 424-32-83
E-mail:[email protected]
Введение
Крахмалосодержащие смеси широко используются в пищевой промышленности. Они составляют основу для приготовления многих видов кулинарных изделий. Важным этапом большинства технологий переработки данных смесей является их гомогенизация с целью создания однородных эмульсий [1].
Крахмал, общая формула которого - (С6Н10О5)п, один из самых распространенных в природе углеводов.
В определенном количестве он накапливается в корнеплодах, зернах злаков, стволах растений и тому подобное. Крахмал представляет собой полимер глюкозы и принадлежит к группе полисахаридов [2].
Целью данной работы является исследование процессов гомогенизации крахмалосодержащих смесей в технологиях пищевой промышленности и общественного питания с применением метода дискретно-импульсного ввода энергии (ДИВЭ), который реализуется в роторно-пульсационном аппарате (РПА).
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- исследовать процесс гомогенизации крахмалосо-держащей смеси в зависимости от теплофизических и гидродинамических параметров, возникающих при обработке в РПА;
- составить гистограммы распределения частиц эмульсии по виду размеров;
- построить зависимость соотношения оптической плотности пропускания света через модельную жидкость от скорости сдвига потока при обработке в РПА.
Экспериментальные исследования
Для получения экспериментальных данных была разработана модификация РПА, позволяющая менять скорость вращения ротора от 3000 до 4500 об/мин и зазор между статором и ротором от 0,15 до 0,35 мм.
Основным показателем обработки крахмалосодер-жащей суспензии в РПА является скорость сдвига потока (у 1/с), которая зависит от вышеуказанных показателей.
Конструктивно данная установка состоит из бункера объемом 0,1 м3, роторно-пульсационного узла, насоса, электродвигателя, корпуса и трубопровода для рециркуляции готового продукта. Основным рабочим органом аппарата является роторно-пульсационный узел, который включает установленные на валу электродвигателя диск с лопатками - своеобразное рабочее колесо центробежного насоса и два статора, между которыми находится ротор.
При вращении ротора происходит поочередное совпадение пазов ротора и статоров, что вызывает значительные знакопеременные перепады давления, высокоградиентные течения в зазорах, а также большие градиенты сдвиговых напряжений. Возникают локальные скорости сдвига потока обрабатываемой среды от (50 до 500) 103 1/с и частоты импульсов от 3 до 30 кГц [3].
Исследования проводились на модельной крахма-лосодержащей смеси.
Модельная смесь готовилась в следующей пропорции:
- крахмал картофельный - 7%;
- вода - 60 %;
- масло растительное «Олейна» - 30%;
- яйца взбитые - 3%.
Смесь предварительно перемешивалась до получения грубой эмульсии. Далее смесь гомогенизировалась в РПА типа ТФ-2 при различных режимах обработки.
Нумерация проб следующая:
- Проба 1 - исходная (грубая) эмульсия.
- Проба 2 - обработка эмульсии при скорости сдвига потока (у) 50 103 1/с
- Проба 3 - (у) 100103 1/с
- Проба 4 - (у) 150 103 1/с
- Проба 5 - (у) 200 103 1/с
- Проба 6 - (у) 250 103 1/с
- Проба 7 - (у) 300 103 1/с
- Проба 8 - (у) 350 103 1/с
- Проба 9 - (у) 400 103 1/с.
Анализ выходных параметров (свойств) полученных проб эмульсии производились:
1. Путем изучения микроструктуры эмульсии на микроскопе типа «OPTON» (Англия) совмещенном с автоматической системой анализа изображений «IBAS». Подробно были проанализированы несколько проб (№№ 1, 5, 7, 9). К моменту исследований на микроскопе (через 1,5 часа после гомогенизации) проба 1 (исходная смесь) была мутно серого цвета, пробы 5, 7, 9 были белого цвета, в пробах 7, 9 наблюдался осадок внизу бюретки. Гистограммы распределения частиц для пробы 9 = 400 103 1/с) приведены на рис. 1 - 4.
2. Путем определения оптической плотности Д пропускания луча света при двух различных длинах волн. Этот метод аналогичен спектроскопическому методу оценки качества гомогенизированного молока. В нашем случае использовался фотометр КФК-2, измерения оптической плотности пропускания производились в кюветы толщиной 1 см при одинаковом разбавлении водой всех проб в соотношении на 1 мл эмульсии пробы - 40 мл воды. Использовались длины волн 900 нм (инфракрасная область) и 300 нм (ультрафиолет).
При исследовании гомогенизации молока применяется 1000 нм и 400 нм. Из теории рассеяния и поглощения света выводится, что качество гомогенизированной эмульсии тем лучше, чем меньше степень дисперсности, т.е. размер частичек, и чем выше соотношение Д3оо/Д9оо. Экспериментальные данные определения оптической плотности Д пропускания света приведены на рис. 5.
3. Путем отстаивания с течением времени в пробирках в холодильнике при температуре 6...8 оС и измерения высоты уровня расслоения. Данные по расслоению с течением времени представлены в табл. 1
Рис. 1. Гистограмма распределения частиц крахмала пробы № 9 по среднеповерхностному размеру.
Гистограмма распределения частиц крахмала пробы № 9 по среднеповерхностному размеру представлена на рис. 1. В качестве среднеповерхностного размера
использовался диаметр эквивалентной окружности с площадью, равной площади наблюдаемого сечения частицы крахмала несимметрической геометрической формы.
Всего в поле зрения микроскопа рассмотрено 119 частиц, минимальный диаметр - 6,4 мкм, максимальный диаметр 24,4 мкм, средний диаметр -13,1 мкм, погрешность определения - 3,7%. Ось 0Х на гистограмме соответствует эквивалентному диаметру частиц (от 0 до 30 мкм); ось 0Y - количеству частиц данного размера.
Гистограмма распределения частиц крахмала пробы № 9 по их наименьшему поперечному размеру представлена на рис. 2.
Размер сечения наблюдаемой частицы крахмала несимметричной геометрической формы также определялся, как среднеповерхностный размер. Как и ранее (рис. 1) всего в поле зрения микроскопа рассмотрено 119 частиц, минимальный наименьший размер диаметр - 5,4 мкм, максимальный наименьший размер 23,8 мкм, средний наименьший размер - 11,8 мкм, погрешность определения - 3,5 %. По оси 0Y отложено количество частиц, по оси 0Х - размер частиц (от 0 до 40 мкм).
Гистограмма распределения частиц крахмала пробы № 9 по наибольшему поперечному размеру представлена на рис. 3.
Размер наблюдаемого сечения частицы крахмала неправильной геометрической формы определялся по среднеповерхностному размеру. По оси 0Y отложено количество частиц, по оси 0Х - их размер (от 0 до 40 мкм).
Как и ранее (рис.1, 2) всего в поле зрения микроскопа рассмотрено 119 частиц, минимальный наибольший размер диаметр - 8,4 мкм, максимальный наибольший размер 29,2 мкм, средний наибольший размер - 16,0 мкм, погрешность определения - 4,6 %
Рис. 3. Гистограмма распределения частиц крахмала пробы № 9 по наибольшему поперечному размеру
Рис.2. Гистограмма распределения частиц крахмала пробы № 9 по наименьшему поперечному размеру
Рис. 4. Гистограмма распределения частиц крахмала пробы № 9 по площади поперечного сечения
На рис. 4 приведена гистограмма распределения частиц крахмала пробы № 9 по площади поперечного сечения, т.е. наблюдаемого сечения частицы крахмала несимметричной геометрической формы. По оси 0Y отложено количество частиц, по оси 0Х - их площадь (от 0 до 600 мкм2). Как и ранее (рис.1, 2, 3) всего в поле зрения микроскопа рассмотрено 119 частиц, минимальная площадь частицы - 32,6 мкм2, максимальная площадь частицы - 468,6 мкм2, средняя площадь частицы - 145,5 мкм2, погрешность определения - 7%.
По значениям экспериментальных данных построен график зависимости соотношения оптических плотностей пропускания света при длинах волн 300 нм и 900 нм от скорости сдвига потока (рис. 5).
1,4
Д300/Д900
1,35
1,3
1,25
1,2
1,15
\
\
50-103
200-1
300-1
400-1 1/с
Рис. 5. Зависимости соотношения оптических плотностей пропускания света с длинами волн 300 нм и 900 нм от скорости сдвига потока
Анализ данных экспериментов позволяет сделать вывод о том, что обработку эмульсии целесообразно проводить методом ДИВЭ (РПА - ТФ 2) при скорости сдвига потока 50 103 1/с. Дальнейшее повышение вышеуказанного теплофизического параметра негативно влияет на процесс гомогенизации (уменьшение размера частиц).
Следует отметить, что нелинейность кривой, изображенной на рис. 5, является наиболее характерной особенностью структурно-вязких сред.
Это означает, что вязкопластичные системы не имеют определенного значения, а с увеличением градиента скорости уменьшаются по закону Бакли-Гершеля.
С целью определения продолжительности расслоения эмульсий, обработанных в РПА при различных скоростях сдвига потока, пробы №№ 1-9 помещались в мерные стаканы. Количество делений в стаканах, до максимума которых изначально была налита проба, составляло 100 делений. Результаты исследований (в количествах делений мерного стакана) представлены в таблице 1.
Таблица 1
Данные отстаивания проб в зависимости от продолжительности хранения.
0 740 мин 995 мин 1070 мин 1920 мин 3360 мин 6260 мин
Нет слоёв h1 h2 h1 h2 h1 h2 h1 h2 h1 h2 h1 h2
1 0 6 - 7 - 7,5 - 8 - 9 - 9 -
2 0 2 - 2 - 3 - 5,5 - 7,5 - 9 -
3 0 7 - 11 - 11 - 14 - 16 - 17 -
4 0 9 - 14 - 14 - 18 - 20 - 21 -
5 0 17 - 22 - 23 - 26 - 28 - 28,5 -
6 0 10 27 9 31 9 32 9 34 9 35 9 35
7 0 12 28 11 31 10 32,5 10 35 10 35,5 10 36
8 0 15 35 15 35 15,5 35,5 14 39 14 39 13 38
9 0 21 55 20 55 21 55 18 55 16 55 15 48
Ь1- максимальный уровень 1-го слоя Ь2 - максимальный уровень 2-го слоя Уровень 1-го слоя, представленный в таблице 1 - это уровень твердоватого осадка белого цвета (по-видимому - крахмала) в нижней части стакана, он начинается от нулевого уровня до значения Ьь приведенного в таблице. Уровень 2-го слоя - это уровень водянистой (немного прозрачной воды) в средней части стакана, он начинается с максимального уровня 1-го слоя и распространяется до приведенного в таблице значения Ь2. Выше второго (а при его отсутствии - и первого слоя), похоже, находится собственно эмульсия с жировой фазой. Она имеет белый цвет.
Анализируя данные экспериментов, представленные в табл. 1, приходим к выводу, что обработку эмульсии следует проводить в РПА типа ТФ-2 при скорости сдвига потока 50103 1/с.
Выводы
В результате проведенных исследований, установлено, что:
- гомогенизацию крахмалосодержащих смесей целесообразно проводить с применением метода ДИВЭ;
- реализацию метода ДИВЭ совершенствовать за счет модификации РПА;
- обработку крахмалосодержащих смесей проводить в РПА при скорости сдвига потока 50 103 1/с.
Литература
1. Архипович Н.А. Общая технология сахаристых веществ.-К.: Вища шк., 1970. - 518 с.
2. Костенко В.Г., Овчинников А.Е., Горбатов В.М. Производство крахмала.- М.: Пищ. Пром-сть, 1975. - 207 с.
3. Басок Б.И., Ободович А.Н., Пироженко И.А., Коба А.Р. Энергосберегающая безотходная технология гомогенизации плодоо-
вощного и цитрусового сырья // Промышленная теплотехника, 2003.- Т.25.- №4.- С. 90-93.
УДК 677.021.3:677.31
Рассмотренные вопросы связаны с возможностью применения электроразрядной нелинейной объемной кавитации при подготовке шерстяного волокна под крашение. Разработанная и описанная в статье технология подготовки может быть использована при крашении шерстяного волокна в светлые тона
ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРВИЧНОЙ ПОДГОТОВКИ ШЕРСТИ НА СОРБЦИЮ КИСЛОТНОГО КРАСИТЕЛЯ ПРИ КРАШЕНИИ ВОЛОКНА В СВЕТЛЫЕ ТОНА
Ю.Г. Сарибекова
Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник НИСа.
Контактный телефон: 80503188016
1. Введение
Шерсть, являясь самым дорогим из текстильных волокон, обладает уникальными эстетическими и функциональными свойствами. Как правило, она используется для изготовления одежды наивысшего качества. Качество, внешний вид и эксплуатационные свойства шерстяных изделий во многом зависят от первичной обработки шерсти.
Технологический процесс первичной обработки шерсти должен обеспечить сохранность всех ее ценных природных свойств. Нарушение технологического процесса приводит к нежелательному изменению свойств шерсти и к потерям шерстяного волокна, как на фабриках первичной обработки шерсти, так и при дальнейшей переработке на шерстеобрабатывающих предприятиях (операции беления и крашения волокна). В последние годы требования к качеству шерстяных изделий значительно повысились. Это привело к необходимости разработки новой технологии, позволяющей получить улучшенные свойства волокна с минимальными затратами.
Основные технологические и потребительские свойства шерсти, такие как способность, к свойлачива-нию, смачиваемость и др. свойства, обусловлены стро-
ением поверхности шерстяного волокна - кутикулы. Кутикулярные клетки имеют очень сложное строение и состоят из тончайших клеточных мембран (эпику-тикулы, экзо- и эндокутикулы). Роль кутикулы очень велика. Так, эпикутикула определяет характерную для шерсти низкую поверхностную энергию (35 - 49 мН/м) и, соответственно, плохую смачиваемость водой и водными растворами. Экзокутикула имеет более инертный тонкийслой («а» - слой), характеризующийся большим содержанием серы и высокой степенью сшивки пептидных цепей, что может служить барьером для крупных молекул красителя внутрь волокна.
Обычно крашение шерсти проводят в волокне по периодическому способу. Основной трудностью при этом является получение чистых и ровных окрасок на волокне, имеющем природный кремовый или серый оттенок. В промышленности эту проблему решают проведением дополнительной стадии беления с целью разрушения природного красителя шерсти и получения необходимого цвета, однако это значительно увеличивает себестоимость продукции и приводит к ухудшению свойств волокна [1,2].
Предварительные исследования процесса глубокой подготовки шерсти показали, что электроразрядная обработка влияет на поверхность волокна, повы-
