Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системный подход к анализу процесса водно-тепловой и ферментативной обработки зернового материала в технологии производства пищевого этанола 11
1.1. Общие положения 11
1.2. Анализ блока «Среда» применительно к процессу ВТФО ЗС 12
1.3. Анализ блока «Энергия» применительно к процессу ВТФО ЗС 19
1.4. Анализ блока «Аппарат» применительно к процессу ВТФО ЗС 24
1.5. Составление алгоритма проведения научных исследований 27
Глава 2. Литературный обзор по проблеме изучения структурно-механических, физических, реодинамических характеристик водно-зерновых суспензий и их движения в трубах 32
2.1 Физические и структурно-механические характеристики водно-зерновых суспензий 32
2.2. Некоторые подходы по описанию механизма изменения нативного крахмала в процессе ВТФО ЗС 33
2.3. Влияние плотности на реологические свойства обрабатываемой среды 36
2.4. Влияние параметра вязкости обрабатываемой среды на ее течение .. 38
2.5. Анализ состояния научных исследований по проблеме движения неньтоновских жидкостей в трубах 53
6. Анализ состояния научных исследований по проблеме движения суспензий в трубах 58
Глава 3. Описание экспериментального стенда и методики проведения экспериментов по исследованию реодинамических характеристик водно-зерновой суспензии 69
3.1. Изучение механизма трансформации крахмала водно-зерновой суспензии в процессе ВТФО ЗС 3.2. Исследование изменения плотности водно-зерновой суспензии 75
3.2.1. Методика проведения и результаты эксперимента 75
3.3. Реологические исследования
3.3.1. Влияние процесса седиментации на результаты исследований 79
3.3.2. Описание экспериментальной установки 82
3.3.3. Методика проведения эксперимента 87
3.3.3.1. Подготовка образцов, проведение и результаты эксперимента 87
3.3.4. Выводы по данной главе 100
Глава 4. Описание экспериментального стенда и методики проведения экспериментов по исследованию гидродинамики водно-зерновой суспензии в трубах 1
4.1. Описание экспериментального стенда 102
4.2. Методика проведения экспериментов 1
4.2.1. Методика проведения экспериментов первой серии опытов на однородной системе 105
4.2.2. Методика проведения экспериментов второй серии опытов на неоднородной системе (вода - измельченное зерно) 108
4.3. Проведение и результаты экспериментальных исследований по изучению гидродинамики потоков в трубопроводе 109
4.3.1. Проведение и результаты исследования гидродинамики течения ньютоновской жидкости (воды) 109
4.3.2. Проведение и результаты исследования гидродинамики течения неньютоновской жидкости (измельченное зерно ячменя – вода) 112
4.4. Выводы по данной главе 120
Основные результаты работы 121
Список литературы
- Анализ блока «Энергия» применительно к процессу ВТФО ЗС
- Влияние параметра вязкости обрабатываемой среды на ее течение
- Методика проведения и результаты эксперимента
- Методика проведения экспериментов второй серии опытов на неоднородной системе (вода - измельченное зерно)
Введение к работе
Актуальность работы. Промышленное производство целевых
продуктов при помощи микроорганизмов получило наиболее масштабное
распространение в спиртовой, пивоваренной, химико-фармацевтической,
топливной и других отраслях промышленности. Совершенствование
процессов и аппаратов этих биотехнологических производств является
важнейшей научно-технической задачей, которая неизбежно связана с
созданием новых современных производств, оснащенных
высокоэффективным технологическим оборудованием.
Фундаментальные изменения, произошедшие в структуре российской экономики за последние 23 года, поставили перед отечественными производителями, в том числе и в спиртовой отрасли промышленности, серьезные проблемы, связанные с конкурентной борьбой за рынки сбыта. Анализ объемов производства этанола в России за последние 10 лет показывает их резкое снижение, что говорит о неудовлетворительном состоянии спиртовой промышленности в целом.
В первую очередь это связано с повышением цен на сырьевые и энергетические ресурсы, моральным и техническим износом промышленного оборудования, произведенного еще в советский период.
Модернизация имеющихся производственных мощностей и
строительство новых спиртовых заводов требует существенных финансовых
вложений и осложняется отсутствием на отечественном
машиностроительном рынке оборудования, универсальных и
высокоэффективных конструкций аппаратов, позволяющих проводить те или иные технологические процессы в интенсивных и экономичных режимах.
В настоящее время активно ведутся работы в направлении повышения рентабельности производства пищевого этанола за счет увеличения выхода конечного продукта с единицы зернового сырья, вторичного использования побочных продуктов основного производства, использования новых штаммов микроорганизмов и ферментных препаратов. Несмотря на определенный прогресс в этой области все эти направления не затрагивают основную проблему, проблему оснащения спиртовых заводов новым высокоинтенсивным и, в то же время, малогабаритным и мало энергоемким технологическим оборудованием, способным реализовывать последние достижения науки в области технологии производства этанола из крахмалосодержащего зернового сырья.
Одной из важнейших стадий технологического процесса производства этанола является стадия водно-тепловой, ферментативной обработки зернового сырья (ВТФО ЗС). От эффективности ее проведения во многом зависит количество и качество целевого продукта и, в конечном итоге, рентабельность спиртового завода. В настоящее время общепризнанной тенденцией в технологии проведения ВТФО ЗС является низкотемпературная схема при высоких концентрациях измельченного зерна в заторе. Для ее реализации была предложена (патент РФ № 2499050 от 20.11.2013
«Периодический способ производства спирта и кожухотрубный струйно-инжекционный аппарат, используемый при осуществлении способа») конструкция кожухотрубного струйно-инжекционного бродильного аппарата (КСИБА), позволяющая проводить в нем, последовательно, три стадии технологического процесса, а именно, собственно ВТФО, осахаривание сусла и его сбраживание. Такой подход позволяет существенно упростить машинно-аппаратурную схему производства этанола, сделать ее более гибкой, и более доступной для реализации в промышленности предприятиями малой и средней мощности.
Важнейшим условием, гарантирующим успешное продвижение инновационных решений в области создания нового оборудования, является наличие на машиностроительном рынке РФ этого, не сложного в изготовлении и надежного в эксплуатации, технологического оборудования, разработка которого невозможна без тщательного изучения механизмов, происходящих в них физических процессов.
Процесс ВТФО ЗС - как физический процесс - представляет собой
сложнейшую совокупность тепло-массообменных процессов, скорость
которых во многом определяется гидродинамической обстановкой в
аппарате. Сложность этих процессов заключается в необратимости
количественного состава фаз с момента начала ВТФО. В свою очередь
гидродинамическая обстановка в аппарате неразрывно связана с
реодинамическими характеристиками обрабатываемого в нем сырья.
Изучение качественных и количественных взаимосвязей между
реодинамическими и гидродинамическими параметрами этих процессов, протекающими в КСИБА и его трубах, представляет собой актуальную задачу, решение которой крайне важно, как для фундаментальной, так и прикладной науки, с точки зрения создания научно-обоснованной методики расчета.
Цель и задачи исследования. Целью работы являются комплексные экспериментальные исследования рео- и гидродинамики водно-зерновых суспензий в трубах технологических аппаратов (КСИБА) в процессе проведения водно-тепловой и ферментативной обработки зернового сырья.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- обобщить и проанализировать имеющиеся в научно-технической и
патентной литературе данные по проведению ВТФО ЗС, рео- и
гидродинамике течения водно-зерновых суспензий в трубах;
- разработать системный подход к анализу физико-химических
процессов, происходящих на стадии ВТФО ЗС и на его основе:
провести фотографические исследования изменения структуры водно-зерновой суспензии из ячменя при проведении ВТО и ВТФО ЗС;
составить алгоритм проведения теоретических и экспериментальных исследований реодинамических характеристик водно-зерновой суспензии в диапазоне гидромодулей от 1:4 до 1:2,5 (массовых соотношений зерна и воды), разработать методику проведения экспериментов и экспериментальную установку;
составить алгоритм проведения теоретических и экспериментальных исследований гидродинамических характеристик водно-зерновой суспензии в диапазоне гидромодулей от 1:4 до 1:2.5, разработать методику проведения экспериментов и создать экспериментальную установку;
провести комплексные исследования реодинамических характеристик водно-зерновой суспензии в диапазоне: гидромодулей от 1:4 до 1:2,5; температур от 20оС до 90оС; дозировке амилолитического ферментного препарата – 2 ед АС/г крахмала;
– изучить гидродинамические характеристики двухфазных потоков при их движении по трубам на пилотной установке в диапазоне гидромодулей от 1:4 до 1:2,5 при заданных температурах.
Научная новизна работы:
– применен системный подход к анализу процессов происходящих в
водно-зерновых суспензиях при проведении водно-тепловой и
ферментативной обработки;
– получены эмпирические уравнения для расчета эффективной вязкости водно-зерновой суспензии в зависимости от скорости сдвига и температуры в диапазоне гидромодулей от 1:4 до 1:2,5 без и с применением ферментного препарата;
– получены эмпирические уравнения для расчета коэффициента трения водно-зерновой суспензии в зависимости от критерия Рейнольдса для неньютоновских жидкостей в диапазоне гидромодулей от 1:4 до 1:2,5.
Практическая значимость.
-
Материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс при изложении лекционного курса и проведении лабораторных занятий по дисциплине «Процессы и аппараты биотехнологических производств» для магистров, обучающихся по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» и профилю «Процессы и аппараты пищевых производств».
-
На основе результатов диссертационной работы разработаны исходные данные и техническое задание на проектирование КСИБА производительностью 100 литров этилового спирта и переданы ОАО «НПО Приборы» для разработки рабочих чертежей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
доложены и обсуждены на Конгрессе молодых ученых (СПб, НИУ ИТМО
ИХиБТ, 2013), 6-ой Всероссийской научно-практической конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием
«Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой
промышленности» (г. Бийск, 2013), VI Международной научно-технической
конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке»
(СПб, НИУ ИТМО ИХиБТ, 2013), ХLIII научной и учебно-методической
конференции НИУ ИТМО (СПб, НИУ ИТМО ИХиБТ, 2014) и на IV
Международной научно-практической конференции «Инновационные
пищевые технологии в области хранения и переработки
сельскохозяйственного сырья» (Краснодар, ГНУКНИИХП
Россельхозакадемии, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 8 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Влияние водно-тепловой обработки без и с применением ферментного препарата (ФП) на структурно-механические и физические свойства среды.
-
Результаты экспериментальных исследований, направленных на изучение реодинамических характеристик водно-зерновых суспензий без и с применением ФП в диапазоне гидромодулей от 1:4 до 1:2,5 и температур от 20 до 90С.
-
Результаты экспериментальных исследований, направленных на изучение гидродинамических характеристик водно-зерновых суспензий в трубах в диапазоне гидромодулей от 1:4 до 1:2,5 и заданных температур.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, включающей 132 источника, из них 12 – иностранный, 4 приложений. Содержание работы изложено на 136 страницах машинописного текста, содержит 43 иллюстрации и 24 таблицы.
Анализ блока «Энергия» применительно к процессу ВТФО ЗС
Промышленное производство целевых продуктов при помощи микроорганизмов получило наиболее масштабное распространение в спиртовой и пивоваренной промышленности.
Совершенствование процессов и аппаратов этих биотехнологических производств является важнейшей научно-технической задачей, которая неизбежно связана с созданием новых современных производств, оснащенных высокоэффективным технологическим оборудованием.
Процесс водно-тепловой, ферментативной обработки зернового сырья (ВТФО ЗС) является одной из важнейших технологических стадий производства этанола из крахмалосодержащего сырья. От эффективности его проведения во многом зависит производительность спиртовых заводов и качество целевого продукта.
Основной целью данной стадии является перевод нативных углеводов, содержащихся в зерне в виде твердой фазы (крахмала), в водорастворимые углеводы (мальтозу), которые, в дальнейшем, на стадии брожения, будут являться питательной средой для микроорганизмов, синтезирующих этанол в процессе метаболизма.
Для технической реализации этого процесса, предложено множество различных технологических режимов и конструкций аппаратов, имеющих друг перед другом, как определенные преимущества, так и недостатки [120]. Выбор той или иной, уже существующей конструкции аппарата, или разработка новой, для конкретного технологического режима, является достаточно сложной задачей, т.к. процесс ВТФО ЗС является достаточно сложным, многофакторным процессом и недостаточно изученным. Поиск ее эффективного решения требует всестороннего анализа, происходящих в обрабатываемой среде, явлений.
В работе [60] был предложен достаточно простой подход к анализу процессов происходящих в многофазных средах химических и биотехнологических производств. По своей сути предложенный метод основывался на многоуровневом иерархическом принципе анализа физико-химической системы разработанной академиком Кафаровым В.В., и был несколько упрощен для удобства понимания и систематизации полученных данных. В основу этого подхода положены три подсистемных блока условно названные «Среда», «Энергия» и «Аппарат» рисунок 1.1. Стратегия этого подхода заключается в последовательном, детальном анализе подсистемных блоков, начиная с блока «Среда». При этом, блок «Среда» рассматривается независимо от последующих блоков и, как правило, тесно связан с технологическим процессом обработки сырья на данной стадии.
Под блоком «Среда» понимается сформированная из различных веществ рабочая среда. При проведении ВТФО эта рабочая среда образуется во время замачивания измельченного зерна водой в определенном соотношении вода – зерно. Выбор соотношения определяется предполагаемой технологией производства на конкретном предприятии. В настоящее время предпочтение отдается низкотемпературным схемам проведения ВТФО ЗС при высоких концентрациях твердой фазы в замесе (гидромодуль 1:2.5).
Таким образом, на начало процесса имеем рабочую среду, обладающую вполне определенным составом компонентов, а, следовательно, и определенными структурно-механическими и теплофизическими свойствами. В нашем случае рабочая среда будет представлять собой двухфазную, многокомпонентную структуру, качественный и количественный состав которой будет изменяться с течением времени под влиянием внешних условий (температуры, давления), а также под влиянием происходящих в самой среде каталитических процессов, обусловленных присутствием амилолитических ферментов. Более того, эта среда является системой со стирающейся памятью [115]. Это вызвано необратимостью изменения количественного и качественного состава фаз под влиянием, проходящих в ней физико-химических процессов.
Как правило, начальный и конечный состав рабочей среды задан технологическим регламентом, определяющим его изменение в требуемом направлении. Следовательно, его структурно-механические и теплофизические свойства будут вполне конкретны и могут быть исследованы и определены. Рассмотрение данного подсистемного блока сводится к изучению трансформации среды, как физического явления, на основе реализации принципа пространственно-временной декомпозиции сложного процесса с учетом происходящих изменений ее структурно-механических и теплофизических свойств. Схематично структура и последовательность анализа названной подсистемы представлена на рисунок 1.2.
На начальном этапе рассмотрения подсистемы «среда», во-первых, оцениваются предельные возможности изменения состава рабочей среды в идеальных условиях в направлении получения целевого продукта и, во-вторых, определяются все теплофизические свойства среды, необходимые для расчета скорости ее трансформации в направлении получения целевого продукта. Применительно к процессу ВТФО ЗС к наиболее распространенным свойствам среды, значение которых необходимо знать, обычно относятся: плотность; коэффициент динамической вязкости, коэффициент молекулярной диффузии, коэффициенты теплопроводности, коэффициенты теплоемкости и др. Для рассматриваемой среды, в нашем случае, эти параметры неизвестны. Отсюда возникает задача их определения. В первую очередь необходимо выполнить качественный анализ структуры среды при образовании водно-зерновой суспензии, и ее изменения в процессе ВТФО.
Влияние параметра вязкости обрабатываемой среды на ее течение
Процесс водно-тепловой, ферментативной обработки зернового сырья (ВТФО ЗС) является одной из важнейших технологических стадий производства этанола из крахмалосодержащего сырья. От эффективности его проведения во многом зависит производительность спиртовых заводов и качество целевого продукта.
Основной целью данной стадии является перевод нативных углеводов, содержащихся в зерне в виде твердой фазы (крахмала), в водорастворимые углеводы (мальтозу), которые, в дальнейшем, на стадии брожения, будут являться питательной средой для микроорганизмов, синтезирующих этанол в процессе метаболизма.
Процесс ВТФО ЗС сопровождается резким изменением физических и реодинамических свойств водно-зерновой суспензии, вызванным набуханием и клейстеризацией крахмалсодержащего сырья, а именно повышением вязкости, что снижает текучесть сусла и приводит к увеличению нагрузок на приводы мешалок аппаратов, транспортирующие насосы и не устойчивому перекачиванию массы по трубопроводам, а также это чревато возрастанием риска образования клейстеризованных заторов. Чаще всего решением этой проблемы служит интенсификация механического или гидродинамического воздействия на зерновой замес и повышение продолжительности их обработки, что неизбежно связано с увеличением энергозатрат. Другим решением этой проблемы является увеличение дозировки вводимых разжижающих ферментов и использование целлюлолитических ферментных препаратов, но при этом увеличиваются материальные затраты на получение единицы конечного продукта. Оба этих подхода не являются взаимоисключающими, а, наоборот, они взаимосвязаны, и их рациональное применение позволит достичь цели, сформулированной в данной работе.
В растительных тканях крахмал содержится в клеточных структурах (пластидах) в виде зерен размером от единиц до 100 мкм и более в разном количестве. Крахмал считается растительным полисахаридом, который имеет сложное строение и состоит в основном из двух полимеров: амилопектина и амилозы. Амилопектин и амилоза в растениях формируются в виде крахмальных зёрен, структура которых до конца не выяснена.
Нативный крахмал практически нерастворим в холодной воде. Так как молекулы крахмальных полисахаридов имеют относительно большой размер, процесс их растворения происходит медленно. Линейные полимеры перед растворением сильно набухают и резко увеличиваются в объёме, поглощая большое количество растворителя.
Изменение крахмала в продуктах происходит в условиях повышенной температуры, т.е. в процессе их тепловой обработки. При такой обработке возможен процесс растворения, клейстеризациия, декстринизации и гидролиза крахмала.
Клейстеризация крахмала - это разрушение нативной структуры крахмального зерна, сопровождающееся набуханием. Необходимым условием, обуславливающим процесс клейстеризации, является присутствие воды и повышение температуры.
Набухание является одним из важнейших свойств крахмала, влияющим на консистенцию, форму, объём и выход готовых изделий. Степень набухания зависит от температуры среды, продолжительности нагрева, соотношения воды и крахмала, вида крахмала, степени дисперсности (раздробленности) крахмальных зёрен [34]. Несмотря на множество работ, посвященных механизму клейстеризации крахмала, в этом вопросе до сих пор нет достаточной ясности [117].
Некоторые исследователи считают, что при клейстеризации должен происходить распад больших молекул крахмала. Существует взгляд, что клейстеризация обязательно приводит к дезагрегации.
Кройт рассматривает клейстеризацию как внутримицеллярное явление. До клейстеризации крахмальное зерно представляет собой систему, определенным образом построенную из отрицательно заряженных частиц, соединенных между собой определенными местами поверхности. Места соединения обладают способностью к взаимодействию с водой, ибо, по теории Кройта, вокруг них имеется оболочка, прочно связанной воды, что, будто бы, вызывает сопротивление клейстеризации[117].
Клейстеризация, по Кройту, наступает в том случае, когда энергия взаимодействия гидрофильных участков крахмала значительно превысит энергию гидрофобных участков. В результате клейстеризации происходит ослабление связи между мицеллами и разрушение архитектоники (морфологии) зерна.
Теория Кройта была всесторонне подвергнута критике Назаровым, указавшим на упрощенность взглядов Кройта, не учитывающего ван-дер-ваальсовых сил и мостичных связей, а также разветвленности крахмала [117].
Рассмотрим подробнее отдельные теории клейстеризации. Арциховский указал на влияние величины крахмальных зерен на температуру клейстеризации. Он установил, что мелкие зерна клейстеризуются при более высоких температурах, чем крупные[117].
Лепешкин полагает, что процесс клейстеризации должен состоять из двух стадий: химической реакции между полисахаридом крахмала и водой, в результате которой образуются амилопектин и амилоза, и набухания образовавшихся продуктов в воде. Он считает, что амилоза и амилопектин являются гидратами первоначальных полисахаридов крахмальных зерен. По мнению Лепешкина, следует говорить не о температуре клейстеризации, а о времени, которое необходимо, чтобы, при некоторой определенной температуре, вызвать определенную фазу клейстеризации [117].
Мейер следующим образом представляет процесс клейстеризации крахмала. При определенной температуре зерна крахмала начинают набухать, увеличиваясь в объеме. Степень набухания, как известно, зависит от температуры. Неразветвленные молекулы амилозы, а также низкомолекулярная фракция амилопектина диффундируют из набухших крахмальных зерен, а основная фракция амилопектина образует трехмерные сетки. В результате этого процесса осмотическое давление внутри зерна заметно уменьшается, и набухшие зерна сжимаются. При набухании крахмала в ограниченном количестве воды оболочки зерен соприкасаются и склеиваются (образуется клейстер) и разделение их невозможно без соответствующего разрыва. Мейер полагает, что образование крахмального клейстера не связано с электрохимическим характером компонентов крахмала, а также не зависит от содержания в них фосфора. Макроскопический эффект сцепления он объясняет также тем, что в некоторые зерна крахмала проникают и другие оболочки, благодаря чему происходит запутывание частиц и образование прочной структурированной системы [117].
Методика проведения и результаты эксперимента
Для расчета плотности суспензии, которой будет обладать данный гидромодуль, необходимо знать плотность зерна. Плотность такого сложного твердого материала как зерно будет зависеть от его химического состава и влажности и ее формы связи с материалом. В известной справочной литературе [15] приведены средние значения рm для различных зерновых культур. В частности, для ячменя многорядного /?m=1350 кг/м3, а для ячменя двухрядного рm =1320 кг/м3. В этой же работе приводятся данные по плотности основных веществ, входящих в состав крахмалосодержащих зерен рm, (таблица 2.1). Очевидно, что расчет плотности зерен по методу аддитивности требует большого количества трудоемких анализов по определению качественного и количественного состава зерен исследуемой партии, который существенно не будет меняться, за исключением влагосодержания. Таблица 2.1 – Плотность основных веществ, входящих в состав
В процессе ВТФО ЗС, как уже отмечалось в главе 1, плотность суспензии будет претерпевать изменение. Это связано с двумя факторами: нагревом и структурно-механическими изменениями суспензии, обусловленными фазовыми переходами крахмальной и белковых составляющих зерна. Далее этот процесс будет рассмотрен более подробно в главе
Другим, наиболее важным параметром, определяющим течение суспензии по трубам технологических аппаратов, является вязкость суспензии. В общем случае вязкость есть способность данного вещества оказывать сопротивление сдвигающим усилиям, возникающим внутри самой жидкости. В отличие от твердых тел это свойство проявляется только при движении жидкостей или газов. В случае покоящейся жидкости, независимо от того находится она в абсолютном или относительном покое, это свойство не проявляется. Количественно физическое свойство вязкости жидкости характеризуется коэффициентом динамической вязкости ju. Его понятие вытекает из уравнения Ньютона записанного для ламинарного течения вязких жидкостей
Если ju зависит только от химического состава жидкости и температуры и не зависит от скорости движения жидкости, то такая жидкость считается ньютоновской. Для данной температуры вещества вполне конкретного химического состава /л = const. Если ц зависит от скорости течения, а, следовательно, от скорости сдвига У, то жидкость является неньютоновской и соотношение (формула 2.7) к течению такой жидкости не применимо. Величина этого физического свойства жидкости во многом определяется ее структурно-механическими или реологическими свойствами.
Установление функциональной зависимости между касательными напряжениями и скоростью сдвига при движении неньютоновских жидкостей является основной научной задачей реологии. В области реологии, как науки о течении жидких сред, работали многие известные ученые, например: Ребиндер П.А. [72,73], Воларович М.П. [12,13], Гуль В. Е. [26], Кулезнёв В.Н. [26] , Виноградов Г.В. [10].
В реологии пищевых продуктов следует отметить большой вклад таких ученых как: Николаев Б.А. [56], Горбатов А.В. [19], Гуськов К.П., Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. и Лунин Л.Н. [27], Рогов И.А. [20], Сурков Б.Д. [92], Лапшина А.А. [5], Маслов А.М. [49], Грищенко А.Д. [22], Епифанов П.В. [29] Николаев Л.К. [58], Арет В.А. [2] и др.
Изучением реологии крахмалсодержащего растительного сырья занимаются: Степанов В.И. [87-89], Иванов В.В. [86], Шариков А.Ю. [86], Римарева Л.В. [87-89], Крикунова Л.Н. [36-41], Сумина Л.И. [39-41], Максимова Е.М. [46,47], Востриков С. В., Яковлев А.Н., Бушин М.А., Солонинов Д.А. [14], Сидоркин В.Ю. [78], Громов С. И. [23,24].
Наиболее сложная проблема, которая возникает при реологических исследованиях в широких интервалах температур и скоростей деформации, связана с неоднородностью среды и как следствие аномалией вязкости, отражающей специфику их течения, а также варьированием состава в очень широких пределах.
Для неньютоновских [7, 45, 51, 52, 58, 74, 77] жидкостей известен ряд теорий, которые объясняют их течение. Однако надо отметить, что информация о поведении этих материалов получена также в основном эмпирическим путем. Коротко опишем модели неньютоновских жидкостей.
Нелинейно-вязкие жидкости. Многие сложные по структуре жидкости, реологические характеристики которых не зависят от времени (реостабильные), в условиях одномерного сдвига имеют кривую течения, отличную от ньютоновской. Нелинейно-вязкие жидкости подразделяются на псевдопластичные [3, 48, 50, 58, 77, 95, 130] и дилатантные (высококонцентрированные или грубодисперсные системы).
Методика проведения экспериментов второй серии опытов на неоднородной системе (вода - измельченное зерно)
Среднее отклонение значений, рассчитанных по уравнениям, от экспериментальных данных составляет ± 2 %.
Из графиков видно, что при гидромодуле 1:2,5 и температуре 30С параметр плотности водно-зерновой суспензии имеет максимальное значение и снижается с повышением температуры и переходом к маловязким гидромодулям. Данная тенденция объясняется набуханием крахмальных зерен при ВТО и увеличением объема водно-зерновой суспензии.
При научно обоснованном планировании реологических исследований в инженерной реологии пищевых сред большое значение имеют общий обзор и классификация приборов и методов реометрии. Они необходимы, чтобы выбрать из приборов и методов наиболее подходящие для решения поставленных практических задач [2]. Наибольшее распространение в исследованиях пищевых продуктов получили следующие вискозиметры: ротационные, капиллярные, с падающим шариком.
Так, вискозиметр RHEOTEST RN 4.1 SE позволяет проводить с помощью измерительного двигателя с высокими динамическими характеристиками ротационные измерения при заданной скорости среза (CR) и/или заданном напряжении сдвига (CS). Благодаря достаточно широкому диапазону измерения вязкости материала, скоростей и напряжений сдвига исследования можно проводить с помощью только одной измерительной системы этим и был обусловлен его выбор.
Влияние процесса седиментации на результаты исследований Одна из поставленных задач было проверить влияние седиментации фаз водно-зерновой суспензии.
Был проведен эксперимент показывающий изменение осаждения во времени. Для этого была подготовлена водно-зерновая суспензия с гидромодулями 1:2, 1:3 и 1:4 , каждая из которых, соответственно после смешивания сразу же помещалась в соответствующую ей бюксу, диаметр которой 15 мм. Объем суспензии во всех бюксах был одинаков. Как только суспензия была помещена в бюксу, делалась отметка нулевой точки, и начинался отсчет времени. Через каждые 30 минут производился замер столба осветленной жидкости от нулевой точки. Динамика представлена в таблице 3.6.
Из графика видно, что за 2,5 часа столб осветленной жидкости составляет для гидромодуля 1:3 – 3 мм, а для 1:4 – 6 мм. Эти данные актуальны для полностью покоящейся суспензии, а в процессе проведения определения коэффициента вязкости эта суспензия приводится в движение вращающимся цилиндром. По результатам проведенных экспериментов установлено, что процесс седиментации фаз для исследуемых гидромодулей происходит достаточно медленно, что позволяет исключить влияние седиментации на полученные результаты при проведении реологических исследований на ротационном вискозиметре.
Описание экспериментальной установки В данных исследованиях, использовался набор измерительной системы с коаксиальными цилиндрами (рисунок 3.8), где наружный цилиндр неподвижен, а внутренний вращается при заданной скорости сдвига у.
Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 3.5. Установка состояла из термостата и вискозиметра. Рисунок 3.5 – Схема экспериментальной установки Ротационный вискозиметр, общие технические данные которого представлены в таблице 3.7, RHEOTEST RN 4.1 SE в комплекте состоял из двух частей: собственно вискозиметра (рисунок 3.6), блока управления (рисунок 3.7).
Измерительная система с цилиндром состоит из измерительного сосуда (неподвижного) (1) с затвором (3) и цилиндрического ротора (2). В соответствии с наружным диаметром измерительного стакана имеются термостатированные сосуды со встроенным датчиком Pt 100.
Термостат Циркуляционный термостат JULABO предназначен для регулирования температуры. Аппарат оснащен патрубками насоса для регулирования температуры во внешних системах (замкнутый контур). Пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование температуры обеспечивает нагрев в соответствии с заданными температурными условиями бани точностью 0,1С.
Эксперимент проводили в два этапа. На первом этапе проводили исследование суспензии без внесения ферментных препаратов разжижающего действия с целью определения их реологических характеристик на различных стадиях ВТО. На втором этапе исследований определяли влияние ферментных препаратов на водно-зерновую суспензию.
Для проведения первого этапа экспериментов по определению реологических характеристик водно-зерновых суспензий из ячменя без внесения ферментов разжижающего действия были приготовлены замесы с различными гидромодулями: 1:4, 1:3.5, 1:3, 1:2.5.
На лабораторных весах ГОСМЕТР ВЛТЭ-150 были отвешены навески измельченного ячменя, согласно исследуемому гидромодулю. Для достижения указанных гидромодулей в лабораторные стаканы было внесено в заданной пропорции соответствующее количество воды и зерна. Предварительно вода термостатировалась до начальной температуры исследований інач=20С. В течение короткого времени исследуемый образец тщательно перемешивался. Далее он в количестве 30 мл (см. таблица 3.8) помещался в измерительный стакан, который перед заполнением был тщательно очищен и просушен вместе с измерительным цилиндром, а также термостатирован до начальной температуры образца.
