CC BY
31
УДК 547.458.6
Роторно-пульсационное устройство
для интенсификации процесса получения жидкофазных материалов на основе крахмала
Ключевые слова: крахмал; жидко-фазные материалы; роторно-пульса-ционное устройство; клейстеризация; реологические характеристики.
В.А. Падохин, д-р техн. наук, Н.Е. Кочкина, канд. техн. наук, Т.В. Федосеева
Институт химии растворов РАН
Н.Р. Андреев, чл.-корр. РАСХН, д-р техн. наук, Н.Д. Лукин, д-р техн. наук ВНИИ крахмалопродуктов
Крахмал - один из важнейших природных полимеров, воспроизводимых в естественных условиях. Его коллоидные растворы и студни, наряду с традиционным использованием в производстве продуктов питания, текстиля, лекарств, в последнее время применяют в процессах синтеза новых функциональных био- и нанобиокомпозици-онных материалов. Наиболее энергоемкий этап получения жидкофазных систем на основе крахмала - его клейстеризация.
Для получения коллоидных растворов крахмала, а также композиционных материалов на их основе нами предложена энергосберегающая установка, принципиальная схема которой изображена на рис. 1.
Основной элемент установки - двухступенчатое ротор-но-пульсационное устройство (РПУ) комбинированного принципа действия [1]. Обработка жидких сред в РПУ
сопровождается рядом физических и физико-химических явлений, порождающих большую концентрацию внутренних источников теплоты, которые распределены во всем объеме дисперсионной фазы. Среди факторов, вызывающих их проявление, следует выделить, прежде всего, сдвиговые течения и внутреннее трение, кавитацию, а также фазовые переходы в водной среде (переходы воды в более упорядоченное квазижидкокристаллическое со-
стояние) [2, 3]. Под действием этих внутренних источников теплоты наряду с активизацией гидродинамической обстановки происходит интенсификация всех стадий клейстеризации крахмала.
В данной работе исследовали влияние механотермического способа клейстеризации крахмала в воде и смеси вода-глицерин на реологические свойства образующихся при этом коллоидных растворов, которые слу-
Рис. 1. Схема установки для получения жидкофазных материалов на основе крахмала механотермическим способом: 1 - расходная емкость; 2 - приемная емкость; 3 - двухступенчатое РПУ комбинированного принципа действия; 4 - блок управления привода; 5 - вентили
log п (п, Па c 0,5-
0,0-0,5-1,0-
"1,5-
log п (п, Па c 0,0
-0,5
-1,0
-1,5
0,5
1,0 1,5 log т (т, Па)
2,0
log п (п, Па с) 0,5
0,0
-0,5
-1,0
-1,5
-0,5
log п (п, Па с)
0,0 0,5 1,0 log т (т, Па)
1,5
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
0,0
0,5 1,0 log т (т, Па)
1,5
0,0
1,5
0,5 1,0 log т (т, Па)
Рис. 2. Зависимости вязкости от напряжения сдвига в логарифмических осях 5 %-ного (мас.) коллоидного раствора крахмала, полученного в воде (а, б) и в смеси вода-глицерин (в, г) термическим (а, в) и механотермическим (б, г) способами при температуре измерения вязкости (оС): 1 - 70; 2 - 60; 3 - 50; 4 - 40; 5 - 30
5
5
г
5
жат основой жидких нано- и биокомпозиционных материалов. Обработку 5 %-ных крахмальных суспензий (соотношение вода:глицерин = 1:19) в РПУ осуществляли при скорости вращения ротора 4200 мин-1. Время, необходимое для нагрева исследованных систем от 25 до 90 °С в активаторе, составило 5 мин.
Реологические исследования выполняли на ротационном вискозиметре «Реотест-2» с использованием системы коаксиальных цилиндров. Скорость деформации сдвига варьировали от 1,5 до 1312 с-1. Температуру измерения вязкости изменяли в интервале от 30 до 70 0С. Согласно паспортным данным вискозиметра, точность измерений составляла ± 3 %.
Характеристическую вязкость растворов определяли при 293 К на капиллярном вискозиметре Оствальда марки ВПЖ-2 с диаметром капилляра 1,2 мм. Средняя квадратичная погрешность в измерениях вязкости составила ± 0,3 %.
Размер частиц в исследованных системах определяли на микроскопе «Биолам», а также методом спектра мутности [4].
На рис. 2 графически изображены реологические характеристики растворов биополимера, полученных традиционным (а, в) и механотермическим (б, г) способами.
Характер реограмм всех исследованных образцов одинаков и подтверждает известный факт неньютоновского вязкопластичного течения коллоидных растворов крахмала. Вязкость систем с глицерином закономерно ниже, чем без него, поскольку под действием данного полиола, образующего водородные связи с гидроксильными группами полисахаридных макромолекул, увеличивается их подвижность и снижается внутреннее трение в растворе при течении.
Механотермическая обработка суспензий крахмала в РПУ, вне зависимости от типа их дисперсионной среды, приводит к получению коллоидных растворов биополимера с меньшими значениями эффективной вязкости и напряжения сдвига.
Реологические характеристики исследованных коллоидных растворов, позволяющие оценить особенности их структуры, приведены в табл. 1 и 2.
Считается, что прочность коллоидного раствора или студня тем выше, чем больше разность между значениями вязкости неразрушенной (з0) и предельно разрушенной (зт) структур, а также чем больше значение динами-
ENGINEERING AND TECHNOLOGY
Таблица 1
Реологические характеристики 5 %-ного (мас.) раствора крахмала, клейстеризованного в воде термическим и механотермическим способами
Температура измерения вязкости,°С
Способ клейстеризации крахмала Вязкость, Па-с Динамический предел текучести, Па, Р 2 ' к2
П,5 П1312
Термический 3,79 0,077 35,8
Механотермический 0,19 0,046 3,6
Термический 2,65 0,066 21,8
Механотермический - 0,036 2,7
Термический 1,52 0,057 16,7
Механотермический - 0,028 2,4
Термический 0,95 0,050 13,4
Механотермический - 0,020 2,0
Термический 0,79 0,045 7,5
Механотермический - 0,018 1,6
30 40 50 60 70
Таблица 2
Реологические характеристики 5 %-ного (мас.) раствора крахмала, клейстеризованного в среде вода - глицерин термическим и механотермическим способами
Температура Способ Вязкость, Па-с Динамический
вязкости,°С крахмала П,5 П1312 Па, Рк2 к2
30 Термический 1,90 0,046 22,2
Механотермический - 0,031 12,6
40 Термический Механотермический 1,27 0,037 0,027 18,0 10,6
50 Термический 0,42 0,028 13,8
Механотермический - 0,023 8,4
60 Термический 0,22 0,029 10,1
Механотермический - 0,019 7,2
70 Термический 0,19 0,026 9,4
Механотермический - 0,017 5,6
ческого предела текучести (Рк2), соответствующего преодолению упругости структуры и началу ее пластического течения [5]. Поскольку методом оценки реологических свойств на ротационном вискозиметре «Реотест-2» можно получить только ограниченную часть кривой течения изученных образцов, то в табл. 1 приведены значения эффективной вязкости при минимальной и максимальной скоростях сдвига (п15 и П1312), реализуемых на приборе.
Судя по данным табл. 1 и 2, с повышением температуры измерения вязкости коллоидных растворов крахмала значения показателей исследуемых свойств закономерно снижаются. В целом же анализ этих данных позволяет сделать вывод о низкой прочности сетки связей, образуемой частицами крахмала, клейстеризованного меха-нотермическим способом. Отсутствие значений вязкости при минимальной скорости сдвига и температурах измерения 30...60 0С для жидкофазных крахмальных систем, полученных в РПУ, дополнительно свидетельствует
о малой степени их структурирования.
При анализе причин ослабления прочности структурной сетки связей в растворах крахмала при переходе от термического к механотермическому способу их получения следует учитывать, что механическая обработка дисперсных систем в РПУ обеспечивает разрушение частиц дисперсной фазы [6]. Как известно, в результате обычного нагрева систем крахмал - вода и крахмал - вода - глицерин до 90 0С образуются высокоструктурированные коллоидные растворы, в которых дисперсная фаза представляет собой смесь набухших гранул, фрагментов разрушенных гранул и ретроградированного крахмала. Комплексное механическое и тепловое воздействие, по-видимому, приводит к практически полному разрушению крахмальных зерен, и получаемый коллоидный раствор биополимера представляет собой высокодисперсную систему со слабыми межчастичными взаимодействиями.
В пользу вывода о высокой степени дисперсности частиц крахмала, клей-
Таблица 3
Характеристическая вязкость растворов крахмала
Тип раствора Способ клейстеризации крахмала
механо-термический
термический
Крахмал - вода 1,02 0,76
Крахмал - вода -глицерин 0,98 0,72
стеризованного в РПУ, свидетельствуют значения размеров частиц в коллоидных растворах биополимера. В структуре систем, полученных путем нагрева суспензий крахмала на водяной бане, в световом поле микроскопа отчетливо видны его набухшие зерна размером 15-30 мкм. При клейстеризации гранул биополимера с использованием механотермических воздействий средний размер частиц дисперсной фазы существенно снижается, вплоть до 60-200 нм (по результатам спектрофотометрии).
Данный факт, а также известная способность механической активации инициировать протекание процессов, приводящих к изменению степени полимеризации высокомолекулярных соединений, наводит на мысль о воз-
можной деструкции полисахаридов биополимера при его клейстеризации в РПУ. В этой связи представлялось целесообразным сопоставить значения характеристической вязкости полученных различными способами растворов крахмала, однозначно связанные с молекулярной массой уравнением Мар-ка-Хаувинка-Куна (табл. 3).
Полученные результаты можно считать свидетельством того, что при использовании РПУ процесс нагрева суспензии биополимера до 900С сопровождается его механоинициируемой деструкцией, которая приводит к уменьшению размеров макромолекул и, следовательно, их ассоциатов, формирующих надмолекулярную структуру коллоидного раствора крахмала.
Малая структурированность и значительная степень дисперсности коллоидных растворов крахмала крайне важны для получения нано- и биокомпозиционных материалов функционального назначения с высокой адгезионной и пленкообразующей способностью. Таким образом, экспериментальные данные свидетельствуют о целесообразности использования РПУ для получения коллоидных растворов
крахмала без дополнительного подвода теплоты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рябинин С.С., Кочкина Н.Е., Падо-хин В.А., Аникин Я.А.//Тезисы докладов III Всерос. межд. науч. конф. «Фи-зико-химия процессов переработки полимеров». - Иваново, 2006, с. 82.
2. Фурмаков Е.Ф. Выделение тепла при изменении фазового равновесия в струе воды: В сб. «Фундаментальные проблемы естествознания». - СПб.: РАН, 1999, т. I.
3. Ciawi E, Rae J, Ashokkumar M., Grieser F.//J. Phys. Chem. 2006. V. 110. P. 13656-13660.
4. Кленин В.И. Термодинамика систем с гибкоцепными полимерами. -Саратов: изд-во Саратов. ун-та, 1999.
5. Самченко Ю.М., УльбергЗ.М., Ко-марский С.А., Ковзун И.Г., Проценко И.Т. //Коллоидный журнал. 2003. Т. 63. № 1. С. 87-92.
6. Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества. - М.: изд-во «Машиностроение-!», 2004.
