п 661-06 / У – 73 (К. Маркса 18) Урьев Н. Б., Талейсник М. А. Goedkoop Nike Schoenen 2017 Пищевые дисперсные системы.Физико-химические основы интенсификации технологических процессов. – М.: АГРОПРОМИЗДАТ. ugg soldes 1985. В настоящей работе поставлена цель расширить и углубить знания принципов (путей и методов) интенсификации газодинамической технологии получения и переработки тонкомолотых материалов, основы которой заложены в работах зарубежных (…) и отечественных авторов и обубликованы Большое разнообразие используемых в различных отраслях промышленности, по мнению авторов, обусловлено следующими обстоятельствами. Обычно технология переработки различных продуктов в каждом конкретном случае в силу кажущейся специфики создается самостоятельно для каждой отрасли промышленности и для каждого вида продукта, тогда как между технологическими процессами в самых различных областях промышленности существует много общего как по однотипности свойств материалов, так и по характеру технологических операций. I Цель данной книги состоит в обосновании нового подхода к процессам газодинамической подготовки исходного материала к его технологическому переделу с учетом их сложности и многообразия с единых общих позиций, которые могут быть определяющими для большинства процессов получения конечных продуктов. adidas stan smith •
§ 2. Общие характеристики дисперсных материалов как объектов технологии
К основным препятствием для реализации единого подхода к анализу и обоснованию общих принципов получения различных продуктов в многоотраслевых промышленностях относят, прежде всего, следующие. Во-первых,это огромное разнообразие сырья, различающегося: . 1 по составу и совокупным свойствам; по структурно-механическим свойствам (твердые, упругохрупкие и вязкопластичные, жидкообразные и др.); по преобладанию какого-либо химического вещества (группа органических — белковосодержащие, углеводные, липидные, витамины и ферменты и группа минеральных — макро- и микро- ; элементы и вода); по области применения; по характеру и интенсивности воздействия (микробиологическое, биохимическое, физическое, химическое и т. п.) при переходе сырья в готовую продукцию. Во-вторых, это многообразие технологических операций, обеспечивающих превращение сырья в готовую продукцию, и разнообразие видов воздействий (механических, тепловых, ультразвуковых и целый ряд других видов), а также многообразие методов воздействий (физических, физико-химических, химических, микробиологических и др.). В-третьих, многообразие характера процессов, происходящих при получении, хранении и потреблении продуктов производства; изменение структурно-механических характеристик, органолептических свойств и т. п. И, наконец, в-четвертых, это многообразие отраслей промышленности. Учитывая исключительное разнообразие как объектов переработки, так и технологических операций, сопровождающихся часто резко различающимися по форме и интенсивности воздействиями на перерабатываемый материал, существенно важно, во-первых, определить возможность установления основных общих для различных продуктов факторов, которые характеризуют свойства и характер изменения их в процессе переработки, во-вторых, найти общую основу для выбора форм и параметров воздействий с учетом этих свойств и их изменений. К общим требованиям, предъявляемым к современной технологии различных продуктов, следует разделить по их значимости для потребителя (покупателя) на три категории: 1. Требования, которые обязательно должны быть выполнены .. nike air max griffey (см. Хубка, с.148)0 Во-первых, максимальное обеспеченна потребительских свойств получаемых продуктов, т. е. конечной целью каждого технологического процесса является достижение и сохранение их свойств, отвечающих техническим требованиям на выпускаемую продукцию. Это требование является существенно важным и определяющим. Во-вторых, процесс должен быть эффективным, с учетом различных требований: экономичности производства; максимального использования сырья и полуфабрикатов, т. е. комплексного и эффективного их использования, в том числе нового сырья и местных его видов; максимального выхода готового продукта при минимальной стоимости процесса. В-третьих, высокая производительность технологического оборудования при одновременном снижении его энергоемкости, материалоемкости, максимальном уровне автоматизации, обеспечивающей быстрое изменение параметров работы машин с учетом изменения свойств перерабатываемого сырья, а также уменьшение до необходимого минимума трудовых затрат. Таким образом, объединяющими признаками являются, с одной стороны, конечные цели и задачи, т. е. достижение потребительских свойств (высокое качество, вкус, усвояемость, эстетический вид и ряд других), а, с другой стороны, — эффективность и экономичность технологии. При выделении общих признаков следует учитывать, что они должны быть приемлемы к любой технологии производств и должны определять решение основной задачи технологии — обеспечение высокого качества продукции и интенсификации производства на современной основе с достижением максимальной экономической эффективности. Анализ технологических процессов получения самых различных дисперсных систем показал, что в физико-химическом плане во взаимосвязи с реализацией эффективной технологии их переработки и получения существенно важными, фундаментальными являются следующие признаки. Во-первых, несмотря на исключительное разнообразие сырья, используемого в различных отраслях промышленности, в большинстве случаев оно (сырье), полуфабрикаты и готовые продукты являются многофазными гетерогенными системами. Наличие жидкой или газовой фаз или их совокупности с твердыми дисперсными фазами, т. е. наличие поверхности их раздела, присуще практически всем продуктам. Во-вторых, величина этой межфазной поверхности в силу самой природы большинства конечных продуктов и сырья, из которого они получаются, весьма велика. Этот признак существенно важен как в процессе переработки сырья и полуфабрикатов, так и при хранении готовых изделий. Следует обратить внимание на то, что большинство процессов, протекающих при образовании конечных продуктов, начинается вблизи межфазной границы раздела фаз. В-третьих, структурно-механические свойства практически всех дисперсных систем определяются в основном характером (энергией) связей между фазами, концентрация которых в дисперсионных средах (жидкой или газовой) достаточно велика, а также химической природой поверхности фаз. В процессе технологической переработки, в большинстве своем сопровождающейся механическими воздействиями, скорость и полнота процессов, идущих как под диффузионным контролем, так и в кинетической области, определяются величиной действующей поверхности раздела фаз, т. е. в конечном счете дисперсностью системы. Но именно эти вышеперечисленные признаки являются основными признаками концентрированных дисперсных систем с сильно развитой межфазной поверхностью [100]. Таким образом, практически большинство дисперсных систем подчиняется законам физической химии дисперсных систем и законам поверхностных явлений — коллоидной химии. nike cortez В процессе переработки исходные сырьевые компоненты— гетерогенные дисперсные системы — претерпевают ряд изменений. asics gel lyte 3 gris Например, фруктово-ягодное сырье, зерно и зерновые культуры, овощи, и ряд других продуктов характеризуются наличием достаточно прочных конденсационных контактов. В результате механических воздействий эти связи разрушаются с образованием вторичной коагуляционной структуры [15]. Однако образованный вторичный продукт также сохраняет свою гетерогенность и высокую дисперсность, хотя в образовавшемся продукте эта дисперсность может существенно отличаться от первоначальной. Следовательно, как в начале процесса, так и в ходе и при его завершении речь идет о переработке дисперсных cистем. Несмотря на то, что химический состав и физические свойства продуктов переработки могут изменяться, высокое значение величины межфазной поверхности обычно сохраняется. Как уже отмечалось выше, интенсификация технологических процессов получения дисперсных систем и их переработки, повышение экономической эффективности при одновременном улучшении качества продукта — одна из основных проблем современных технологий различных производств. Скорость (т. е. интенсивность) и полнота процесса (степень использования сырья, достижение требуемых характеристик готового продукта) в гетерогенных системах определяются следующими факторами: величиной действующей активной поверхности раздела фаз; размером частиц дисперсной фазы; скоростью конвективной диффузии, особенно в тех случаях, когда процесс осуществляется под диффузионным контролем. • Между тем, для обеспечения интенсификации процессов в гетерогенных системах необходимо, преодолеть ряд препятствий: обнажить внутреннюю поверхность за счет диспергирования (путем механического воздействия); реализовать такие процессы, при которых действующая (активная) поверхность приближается к межфазной поверхности; обеспечить условия для равномерного распределения компонентов во всем объеме. В заключение следует отметить, что исключительное разнообразие сырья, полуфабрикатов и готовых изделий, многообразие технологических процессов и видов воздействий требуют: провести анализ существующей технологии производств для установления общих свойств материалов, существенно важных для определения вида и интенсивности механических воздействий; на основе анализа технологических процессов получения различных продуктов выделить общие однотипные элементы технологии; объединить группы технологических операций по общности вида воздействий, необходимых для проведения этих операций (преимущественно механических, но возможно и в сочетании с другими); обосновать наиболее эффективные формы, вид и интенсивность воздействий, исходя из свойств обрабатываемого материала с учетом конкретной технологической операции, а также с учетом взаимного влияния аппарата и перерабатываемой системы друг на друга. Кроме того, для установления оптимальных условий приведения технологических процессов и разработки путей и методов, их интенсификации необходим общий научно обоснованный подход к технологии производств, перерабатывающих дисперсные материалы. Вместе с тем серьезным препятствием для обоснования такого единого подхода, как уже отмечалось выше, является исключительное разнообразие перерабатываемых материалов по химической природе и составу компонентов, их образующих, физическим свойствам, назначению, специфике химических и фазовых превращений и т. chaussures adidas д. Именно по этому необходимо классифицировать все виды перерабатываемых материалов, разделив их по основным, с точки зрения условий проведения технологических процессов, признакам, изменение которых приводит к необходимости изменения параметров процесса. asics gel lyte 5 К сожалению, насколько известно авторам, приемлемой системы классификации ни в одной отрасли промышленности не существует. Сырье классифицируют по консистенции (сухое, сочное, жидкое); по преобладанию в сырье какого-либо химического вещества (белковосодержащего, углеводного, липидного) или минерала и другие признаки. Выше было указано, что при всем разнообразии перерабатываемых продуктов на разных технологических стадиях их переработки, все они практически гетерогенны, т. е. Adidas Superstar характеризуются наличием поверхности раздела между различными фазами (жидкими, твердыми и газбобразными). При этом преимущественное значение среди дисперсных систем, нашедших применение в пищевой промышленности, имеют системы, содержащие твердые фазы. В связи с этим целесообразно в наиболее общем виде классифицировать пищевые системы по фазовому составу. Дисперсные системы с твердыми фазами могут быть разделены на три основных типа: — двухфазные системы: твердая дисперсная фаза — газовая дисперсионная среда (Т—Г); — двухфазные системы: твердая дисперсная фаза — жидкая дисперсионная среда (Т—Ж); — трехфазные системы: твердая дисперсная фаза — жидкая и газовая дисперсионные среды (Т—Ж—Г). asics gel nimbus 18 soldes Представителями первого типа являются все виды сыпучих материалов, в частности порошки, в том числе многокомпонентные сыпучие системы. Ко II типу относятся различные виды суспензий и паст в виде жидкообразных и твердообразных вязкопластичных или упруговязкопластичных систем. Трехфазные системы обычно образуются из систем II типа при значительном уменьшении содержания в них жидкой фазы и при введении газовой фазы или выделении ее в результате химической реакции или повышения температуры и т. д. Особый интерес представляют такие дисперсные системы, межфазная поверхность которых сильно развита, а концентрация дисперсной фазы в жидкой или газовой среде достаточно велика. Такие системы находят очень широкое применение, а процессы, связанные с их переработкой, занимают значительное место в современной технологии многих производств. К числу таких систем в пищевых технологиях относятся все виды высокодисперсных порошков (сахарная пудра, мука, крахмал, какао-порошок, сода сухая, патока и т. п.), высококонцентрированные двух- и трехфазные системы (пасты и суспензии, мучное тесто, шоколадные и конфетные массы, мясные фарши, сбивные кондитерские массы и другие пищевые изделия), а также ряд пищевых эмульсий и структурированных пен. Таким образом, большинство пищевых продуктов относится к высококонцентрированным гетерогенным системам, для которых структурно-механические свойства являются определяющими. В промышленном производстве продукции наиболее характерной областью переработки высококонцентрированных дисперсных систем является цементная промышленность. Степень использования сырья (извлечение ценных компонентов), интенсивность протекания физико-химических процессов на его основе существенно возрастают по мере роста дисперсности и равномерности распределения дисперсных фаз в объеме системы. Поэтому достижение необходимой дисперсности, создание и поддержание в ходе технологического процесса, высокой величины действующей (активной) поверхности – общий принцип повышения эффективности получения продукции на основе тонкомолотых порошков. Преобладающим видом воздействия в процессе измельчения материалов в большинстве случаев является механическое, вместе с тем целесообразно комплексное воздействие (механическое в сочетании с другими видами воздействий). Следовательно, разделение всех объектов технологии должно осуществляться по тем признакам, которые являются главными определяющими с точки зрения выбора воздействий или их совокупности, а также их интенсивности и последовательности. До настоящего времени современная технология в должной мере не учитывала необходимости комплексного подхода к решению проблемы, начиная с изучения свойств сырья и кончая обеспечения требований к готовым изделиям. Это влечет за собой необходимость знания и учета совокупности химических, физико-химических, биологических, структурно-механических, технологических свойств сырья как в процессе технологической подготовки, так и в ходе ее реализации. Это не означает, конечно, что в существующих технологических процессах не создаются в ряде случаев близкие к оптимальным условия. Однако строгому определению технологических параметров состояния систем, характеризуемых в первую очередь оптимальным уровнем структурно-механических свойств, и их изменению в процессе переработки до сих пор не придавалось столь важного значения.
ГЛАВА II. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕЛЬЧАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
Как указывалось ранее, при всем разнообразии продуктов, выпускаемых многоотраслевыми промышленностями, по целевому конечному назначению все они должны отвечать определенным потребительским требованиям. Технология любого производства направлена именно на создание совокупности этих необходимых потребительских свойств. Выше было показано, что основной признак большинства объектов технологии производств состоит в том, что они представляют собой дисперсные системы. Вместе с тем большинство сырьевых пищевых материалов, полуфабрикатов и готовых продуктов являются также высококонцентрированными дисперсными системами с сильно развитой межфазной поверхностью [15, 100, 102]. При всем разнообразии пищевых высококонцентрированных дисперсных систем главный, наиболее общий и существенный их признак — гетерогенность, наличие развитой межфазной поверхности, величина которой, отнесенная к единице массы или объема системы, зависит в первую очередь от дисперсности системы, т. е. от размера частиц дисперсной фазы и их концентрации в объеме системы.
§ 1. Влияние дисперсности твердых фаз на течение технологических процессов
Рассмотрим, как влияет дисперсность твердых фаз на условия проведения общих для большинства пищевых масс процессов, протекающих в условиях вынужденной конвективной диффузии, в том числе процессов смешивания, уплотнения, формования и т. п., а также массообменных процессов; сопровождающихся или завершающихся разнообразными химическими и фазовыми превращениями, например, окислением, растворением, выкристаллизацией, выпариванием, сушкой и т. п. Эти, наиболее распространенные технологические процессы по сути своей представляют химико-технологические процессы.производства, связанные с переработкой различных видов пищевых масс. Как правило, они соответствуют начальным, но наиболее важным стадиям технологического процесса, поскольку именно на этих стадиях формируетяся структура будущего изделия. 1 Так как скорости гетерогенных химико-технологических процессов пропорциональны активной поверхности взаимодействия фаз, дисперсность твердой фазы — один из основных параметров, определяющих условия проведения этих процессов, а увеличение дисперсности—один из основных путей их интенсификации. Принято считать, что к разбавленным коллоидно-дисперсным системам относятся системы, содержащие дисперсные фазы, способные участвовать в тепловом броуновском движении [1, 105]. Наименьшим размером коллоидных частиц (или нижним пределом коллоидной области) является размер частиц, при котором еще сохраняется понятие о фазе и система остается гетерогенной. Этому условию соответствует размер частиц δ порядка 10 -9 м. Нижним пределом дисперсности разбавленных коллоидов принято считать дисперсность, которой соответствует наибольший размер частиц порядка 10~6 м [104]. В самом деле, ужt. при размере частиц 6^5-10~6 м они могут колебаться только относительно фиксированной точки, а при δ @5*10~6 м броуновское движение частиц не обнаруживается вообще. Однако при этом значительно возрастает способность к седиментации, т. е. такие системы в принципе кинетически неустойчивы. Этот переход из области коллоидной дисперсности в область грубодисперсных по традиционным представлениям систем особенно сказывается на скорости седиментации сферических частиц твердой фазы в зависимости от их радиуса. Приводимый ниже пример одного из многочисленных гетерогенных процессов в дисперсных системах, содержащих твердые фазы, иллюстрирует зависимость скорости седиментации сферических частиц (r= 2100 кг/м3) от их радиуса в воде {r20-с =1000 кг/м3) [28, 100].. Радиус частиц г, м 10-5 10-6 1Q-7 10-8 10~9 ‘Скорость седиментации, 3,2*10 -6 3,2-10-6 3,2*10-8 3,2*10-10 3,2*10-12 м/с Время, необходимое для 31 с 51,7 мин 86,2 ч 356 дней 100 лет оседания частиц на расстояние 10 -2 м Из приведенного примера видно, что размер частиц порядка 10~6—10~9 м действительно отражает качественный переход от коллоидно-дисперсных, практически не седиментирующих (или слабоседиментирующих) систем с дисперсными фазами, активно участвующими в тепловом броуновском движении к системам, в которых седиментационные явления становятся определяющим фактором движения частиц, а их участие в броуновском движении становится несущественным или вообще прекращается. Но такое разделение систем, проведенное Воюцким С.С. (Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. – М.: Химия, 1975, 515 с.) действительно оправданное для разбавленных дисперсий, становится нерациональным при переходе к концентрированным и особенно к высококонцентрированным дисперсным системам. Поэтому в этом cлучаe более целесообразным является подход, изложенный в книге Урьева Н.Б. [Урьев Н.Б. adidas ace Физико-химические основы интенсификации технологических процессов в дисперсных системах. – М.: Знание, 1980. 64 с.; Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. – М.: Химия, 1980. – 320 с.]. Главная общая особенность объектов физико-химии дисперсных систем — сильно развитая межфазная поверхность и, как следствие, большое значение избыточной поверхностной энергии Гиббса. По существу, это обстоятельство предопределяет все основные свойства разнообразных объектов коллоидной химии в очень широком диапазоне дисперсности, выходящем за рамки традиционной границы между коллоидами и грубодисперсными системами. И хотя удельная поверхность, т. е. поверхность единицы массы дисперсной фазы, по мере перехода от коллоидно-дисперсных к грубодисперсным системам непрерывно падает, поверхность, отнесенная к единице объема дисперсной системы Sv, может даже расти при переходе в область систем, с существенно большим размером (диаметром) частиц дисперсной фазы,. если этот переход компенсируется увеличением концентрации дисперсной фазы в единице объема φ. Так, при объемной концентрации φ. дисперсной фазы с размером частиц δ=10 -7 м, равной 0,1% (характерной для разбавленных коллоидов), поверхность дисперсной фазы Ѕυ отнесенная к 1 • 10~6 м3 (к 1 см3), составляет примерно 0,1 м2. При увеличении размера частиц δ на два порядка (δ ~ 10 -5 м) такое значение Sv может быть достигнуто при объемной концентрации твердой фазы φ =10%. Объемная концентрация φ большинства реальных высококонцентрированных дисперсных систем обычно составляет несколько десятков процентов. Как правило, реальные системы полидисперсны, т. e. содержат широкий спектр частиц по размеру, причем некоторая доля частиц обычно имеет размер, характерный для области коллоидной дисперсности, что резко увеличивает значение Sυ . Поэтому в реальных высококонцентрированных дисперсных системах при относительно малых значениях удельной поверхности: единицы массы дисперсной фазы Ѕm величина Sv значительно превышаст соответствующие значения Sv,, характерные для разбавленных коллоидно-дисперсных систем. Но поскольку избыточная межфазная поверхностная энергия Гиббса U пропорциональна Sυ, то, естественно, такого рода высококонцентритованные полидисперсные системы отличаются весьма высокой объемной концентрацией этой энергии U/V….(с.23) Высококонцентрированные полидисперсные системы не в меньшей степени, чем разбавленные коллоидно-дисперсные системы представляют особый интерес для современных производств многих отраслей промышленности, поскольку большие значения Sv и U/V характеризуют активность физикохимических процессов на межфазных границах. Дисперсные системы с развитой поверхностью S v тем более что числе таких связей (координационное число) не менее двух. Разрушение же сплошной пространственной структурной сетки внешними механическими воздействиями, сопро вождающееся потерей фиксированного положения частиц в объеме системы, приводит в свою очередь к потере кинетической устойчивости, особенно если частицы или агрегаты из частиц имеют размеры выше коллоидных. Таким образом, наличие пространственной структуры, образованной сцеплением частиц дисперсных фаз, между собой, — естественное и наиболее общее свойство концентрированных] коллоидно-дисперсных систем. Поэтому можно полагать, что критический размер частиц (по порядку величины) можно определить из условия соизмеримости сил сцепления между ними в структурной сетке и их весом, пока и поскольку структурная сетка существует и частицы удерживаются ею в поле действия силы тяжести. Естественно, такое определение предполагает, что концентрация дисперсной фазы соответствует тому минимуму (φ с,), при котором структура может возникнуть так как по мере роста концентрации выше этого мииимума кинетическая устойчивость системы будет заведомо обеспечена. В соответствии с изложенным принимаем, что граница между грубодисперсными и структурированными высококонцентрированными системами определяется характерным размером частиц δ с, при котором вес частицы уравновешивается силами сцепления между ними. С учетом этого условий на примере структур порошков с непосредственными атомными контактами между частицами характерный размер δс определится с учетом проекции на вертикальную ось соотношением G = mg = Σ Fc , 
(II.1) где G — сила тяжести, Н; m — масса частицы, кг; п — число контактов частицы с соседними (координационное число); Fe — сила сцепления в контакте между частицами. Полагая, что масса частицы плотностью р пропорциональна кубу характерного размера и что на одцу частицу приходится минимум два контакта с соседними частицами, получим δС = (2Fe/ρg) 1/3. (11.2) Если принять, как это показано в работах [75, 100,. 101], что площадь единичного точечного контакта соизмерима с ячейкой кристаллической решетки в твердом теле Si (Si~10-19 м2), и учитывая, что на такой площадке вероятность появления дефектов весьма мала, можно считать, что прочность точечного контакта соизмерима с прочностью межатомных связей в кристаллической решетке бездефектного твердого тела Рi (Рi ~10 11 Па) и Fc=PiSi ~ 10 -8 Н. Поэтому для порошков при ρ=1—3 мг/м3 получим δc ≈10 -4 м. Рассчитанный в общем виде критический размер частиц твердой фазы в двухфазных дисперсных системах с жидкой маловязкой полярной дисперсионной средой будет порядка δ ≈10 –5 м. Вместе с тем по мере уменьшения размера частиц (δ< δс) в соответствии с законами термодинамики в дисперсной системе самоцроизвольно будут протекать процессы, связанные с уменьшением поверхностной энергии. • Именно этим объясняется склонность высокодисперсных частиц к агрегированию и образованию пространственных струтур. Чем меньше их размер и выше удельная поверхность, тем больше проявляется эта склонность. Образование пространственной структуры и агрегатов с различными типами контактов между частицами твердой фазы как результат проявления поверхностных сил и.есть тот основной фактор, который определяет свойства дисперсных систем и условия проведения технологических процессов в этих системах. 1 В количественной форме критический размер частиц для двухфазных дисперсных систем с газовой (порошки) или жидкой (пасты и суспензии) дисперсионными средами выражается соотношениями с учетом приведенного выше (11.1): • δс1 = k1π (Eσ/2r) ½ /(ρg)1/3 (11.3) δс 2 =k2 (Ar /ρgH2)1/3 (11.4) δC3 = k3 (πBr/ρgH3)1/ 3, (11.5) где ki, ki, ks— коэффициенты, учитывающие кривизну поверхности; E- — модуль упругости частиц; σ— заряд поверхности; r — радиус частицы, с которой осуществляется контакт; А — константа молекулярного взаимодействия конденсированных фаз (константа Гамакера); В — константа молекулярного взаимодействия с учетом электромагнитного ‘ запаздывания дисперсионных сил; Н — расстояние между частицами, м. Формула (П.З) определяет критический характерный, т. е. средний, размер частиц для порошкообразных систем. Формула (II.4) пригодна для паст и суспензий при фиксации частиц на расстоянии ближней коагуляции (гидрофобные взаимо действия), а формула (П.5) применима к случаю фиксаций частиц в положении так называемого дальнего энергетического минимума, характерного для взаимодействия частиц по лиофильмым участкам их поверхности. Естественно, что по мере увеличения расстояния между частицами — при переходе от непосредственного атомного контакта в случае порошков (см. формулу 11.З) к коагуляцион му контакту в пастах и суспензиях с фиксацией частиц на расстоянии Н порядка 10~9 м (см. формулу II.4), а затем при удалишй частиц на расстояние до 10~8 м (см. формулу II.5) критический размер частиц σс существенно уменьшается. Но при этом он остается гораздо большим (на несколько десятичных порядков), чем размер коллоидных частиц (6—10~7 м) [99]. Из всего изложенного следует, что граница перехода от грубодисперсных систем к высокодисперсным, определяемая критическим размером частиц σс, начиная с которого силы сцепления между частицами дисперсных фаз становятся соизмеримыми с их весом, по существу, является также и критерием начала агрегируемости и образований в дисперсной системе пространственных структур с непосредственными атомными или коагуляционными контактами. И хотя в каждом конкретном случае прочность элементарных контактов между частицами и соответственно прочность возникающих из них структур, зависят от физических войств и химической природы поверхности твердой фазы, состава и свойств дисперсионной среды, существенно важное следствие вытекающее из определения характерного размера частиц σс состоит в том, что в общем случае агрегирование и образование пространственных структур начинают проявляться в дисперсных системах с размером частиц на 2-—3 порядка большим размера частиц коллоидной дисперсности. • Таким образом, переход от разбавленных коллоидных дисперсных к высококонцентрированным системам, естествен незначительно расширяет область систем, которые с полным основаниемем должны рассматриваться как важные объекты коллоидной химии, тем более что основной признак, по которому тв!е системы относятся к объектам .физико-химии дисперсных систем и поверхностных явлений, — высокая объемная концентрация избыточной поверхностной энергии Гиббса — свойственнен рассматриваемым системам в не меньшей степени, чем разделенным коллоидно-дисперсным системам. Между тем в ряде случаев увеличение удельной поверхности твердой фазы S не связано с обязательным уменьшением размера частиц δ, а отражает изменение состояния поверхности твердой частицы. Так, в работе А. В. Индрексона и др. [А.В. Индрексон, Козьмина Н. П., Моисеева А.И. Дисперсность, как показатель качества муки. – М.:ЦНИИТЭИминзаг СССР, 1979, 52 с. ] было показано, что в процессе механических воздействий наблюдается повреждение поверхности одной из основных фракций муки —крахмала. На крахмальных гранулах при повреждении появляются радиальные трещины, а в отдельных случаях гранулы растрескиваются. А. В. Индрексоном впервые было показано, что при измельчении ширина трещин достигает 1—5 мкм и с одной или нескольких сторон появляются выщербины. Им же было ycтановлено, что для определения количества поврежденного крахмала наиболее целесообразно использовать косвенный показатель — удельную поверхность муки S. Проведенные исследования показали, что при использовании поврежденных крахмальных гранул без дополнительного диспергирования твердых частиц в 4—5 раз повышается водопоглотительная способность муки; увеличивается ее осахаривающая способность за счет того, что гранулы становятся более доступными действию амилазы [Козьмина Н. П. Биохимия хлебопечения. – М.: Пищевая промышленность, 1978. –277с]. Следует остановиться еще на одном требовании, предъявляемом к дисперсности исходного сырья. Учитывая большое влияние дисперсности твердых материалов на технологию их переработки современные условия производства большинства продуктов пищевых, прмышленных, сельскохозяйственных, медицинских и других производств предъявляют все более высокие требования к стабилизации дисперсности поступающих на переработку исходного сырья. Одним из путей эффективной стабилизации является осуществляемый на различных видах помольного оборудования дополнительный помол (например применение в качестве дополнительного измельчающего устройства штифтового дезинтегратора конструкции КТБ Минпищепрома ЭССР) исходного сырья, с помощью которого возможно обеспечить улучшение однородности его фракционного состава. Кроме того, с увеличением дисперсности увеличивается и гидратационная способность клейковины муки, повышающая её водопоглотительную способность. В условиях реальных гетерогенных процессов пищевые дисперсные системы, протекают все те процессы, которые рассмотрены в указанных выше работах по теории аномально вязких систем. В технологических процессах, связанных с переработкой структурированных систем, механические свойства последних в зависимости от скорости деформации, изменение объема и величин создаваемых при этом напряжений могут изменяться на несколько десятичных порядков. Это приводит к резкому изменению условий проведения самих процессов. Поэтому продолжительность технологических процессов, затрат ээнергии и эффективность технологии переработки дисперсных систем также могут изменяться во много раз. Анализ условий проведения массообменных процессов в структурированных дисперсных системах с позиций современных молекулярно-кинетических теорий течения позволяет обоснованно определить пути совершенствования и интенсификации этих процесоов. В качестве примера рассмотрим вытекающие из молекулярно-кинетических представлений возможные пути интенсификации процесса переработки таких систем, как шоколадные массы. Специфика этих систем — ярко выраженная термочувсгвительность (зависимость реологических характеристик от температуры). — | Вместе с тем эти системы, образуя типичные коагуляционные структуры, характеризуются неньютоновским поведением с диапазоном изменения вязкости в несколько десятичных порядков[66, 87, 102]. Выше было указано, что наинизшему уровню вязкости, оптимальному для проведения технологических процессов, соответствуют минимальные значения периодов релаксации θ. Кроме ого, с ростом температуры Т периоды релаксации θ также снижаются. При этом технологический процесс можно осуществить при минимальном уровне реологических сопротивлений. В свою очередь θ мин соответствует наибольшей скорости деформации έ макс. Отсюда следует, что увеличение температуры, уменьшение энергии связи между частицами в потоке и увеличение έ в микрообъемах в сочетании создают условия, необходимые-для достижения минимума эффективной вязкости ηмин. При η= η мин процессы конвективного массопереноса могут быть значительно ускорены при минимальном уровне затрат механической энергии. Таким образом, на примере технологии переработки шоколадных масс видно, что сочетание термических воздействий и сдвиговых деформаций при одновременном снижении уровня сил взаимодействия между частицами — основа интенсификации процессов переработки структурированных пищевых масс, осуществляемых в условиях конвективной диффузии. Необходимо отметить, что на практике в целом ряде технологических процессов эти условия часто эмпирически в той или иной степени реализуются. Однако при этом, как правило технологические параметры далеки от оптимальных и возможности, вытекающие из анализа механизма течения структурированных систем на основе молекулярно-кинетических представлений, далеко не исчерпаны. В заключение следует отметить, что, располагая полной реологической кривой течения структурированной системы, на основе анализа ее реологического поведения с использованием молекулярно-кинетических представлений можно количественно обосновать оптимальные параметры осуществления большинства технологических процессов.
ГЛАВА IV. ОСНОВЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО СОСТО ПИЩЕВЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Учитывая исключительное разнообразие как объектов переработки, так и технологических операций, сопровождающихся часто резко различающимися по форме и интенсивности механическими воздействиями на перерабатываемый материал, очень важно найти общую основу для выбора параметров механических воздействий с учетом этих свойств и их изменения. Это необходимо для изыскания путей и разработки методов итенсификации процессов в технологии пищевых производств, связанных с использованием механических воздействий в машинах и аппаратах с внешним подводом механической энергии. Вместе с тем анализ технологических процессов получения самых различных пищевых дисперсных систем показал, что, несмотря на разнообразие форм механических воздействий, их мощности и характера подведения к системе, можно выделить один из решающих факторов, определяющих условия проведения многих, часто резко различающихся между собой техноло-гических операций. Этот фактор назван одним из авторов динамическим состоянием системы в условиях механических воздействий и определяется.в первую очередь структурно-механическими характеристиками объекта переработки непосредственно в условиях проведения данной технологической операций [99]. Это позволило выделить основные типы динамических coстояний пищевых дисперсных систем и сформулировать критерии оптимальных динамических состояний, отвечающих наиболее; эффективному проведению технологического процесса. Под эффективностью здесь понимается сочетание интенсификации процесса (т. canada goose solde е. повышение его скорости), снижения энергетических затрат на его осуществление с одновременным улучшением качества объекта переработки.
§ 1. Принципы создания регулируемого динамического состояния пищевых дисперсных систем в технологических процессах
В предыдущей главе было показано, что структурно механические свойства наиболее показательны как по диапазону возможных изменений, так и по исключительной их чувствительно-сти к механическим воздействиям. Следует отметить, что эти свойства непосредственно связаны с особенностями строения, теплового движения и молекулярного взаимодействия в этих системах их структурных элементов и ъ конечном счете определяют сопротивление, возникающее в структуре при механической обработке. Поэтому без изучения структурно-механических свойств в процессе получения высокодисперсных пищевых масс невозможно не только установить закономерности процесса их структурообразования в зависимости от влияния ряда факторов, но, что особенно важно, нельзя обосновать оптимальные параметры технологии произврдства (пищевых) продуктов на современном уровне. Поэтому реология структурированных дисперсных систем, определяющая особенности деформационных процессов и процессов разрушения и образования в этих системах при подводе внешних механических воздействий, позволяет обосновать оптимальные уровни основныхструктурно-механических характеристик сырья, полуфабрикатов и готовых изделий. Основная же группа задач, в которых реологические методы играют важнейшее значение,— состоит в использовании совместного действия физико-химических и механических факторов, термических и других воздействий для регулирования, оптимизации гетерогенных технологических процессов, а также структурно-механических свойств пищевых дисперсных систем различного рода непосредственно в ходе технологического процесса с целью получения в них структур с заранее заданными свойствами. Следует отметить, что; под оптимальным в физико-химическом смысле понимается такое состояние дисперсных систем на определенной стадии технологического процесса, при котором создается возможность достижения его.максимальной интенсивности и наивысшего качества продуктов переработки. Например, когда речь идет о процессе смешивания многокомпонентных систем, — такое состояние соответствует предельному разрушению, при котором достигается предельно равномерное распределение компонентов за минимальное время. Если такое оптимальное состояние достигнуть невозможно, то нельзя также гарантировать; и рав,-.новероятное предельно возможное .равномерное распределение компонентов в объеме системы, что во многих случаях получения пищевых продуктов в значительной степени определяет их качество. . ‘ » Как было указано выше, наиболее важное значение играют реологические характеристики структур с контактами I и II типов, так как именно эти структуры преобладают при осуществлении большинства массообменных процессов, осуществляемых в условиях конвективной диффузии. Главное, что определяет свойства структур в этих системах в условиях воздействия внешних сил — соотношение между силой сцепления в эффективных («работающих») контактах «и их числом, а также числом разрушенных контактов. Степень разрушения структуры соответствует доле «работающих» контактов от общего числа контактов (в единице объеме системы), определяемого концентрацией твердой фазы φ, ее дисперсностью S и микрогеометрией структуры. Таким образом, как это было показано выше, в отличие от разбавленных коллоидно-дисперсных систем, в которых основные их свойства — агрегативная и седиментационная устойчивость зависят от соотношения взаимодействия частиц дисперсной фаз и участия частиц в тепловом (броуновском) движении, в высоко концентрированных дисперсных системах с твердыми фазами преимущественное значение приобретает конкуренция между сцеплением частиц и интенсивностью внешних механических воздействий на дисперсную систему. Следовательно, механические воздействия на высококонцентрированные структурированные дисперсные системы следует рассматривать как основной фактор управления главными для них структурно-механическими свойствами. В связи с этим возникает необходимость обоснованного выбора вида и интенсивности воздействия, исходя из свойств обрабатываемого материала с учетом конкретной технологической операции, а также с учетом взаимного влияния аппарата и перерабатываемой системы. В предыдущих главах также было отмечено, что между технологическими процессами в самых различных областях пищевой промышленности существует много общего как по свойствам материала, так и по однотипности технологических операций. Для того чтобы осуществить массообменные процессы, сопровождающиеся изменением объема и формы системы (транспортирование, формование, уплотнение, разуплотнение и т. д.), необходимо и достаточно разрушить структуру до любого уровни, характеризуемого эффективной вязкостью η р< η0. Однако, выполнения-условия η р< η0. еще недостаточно для достижения максимальной однородности пищевых дисперсных систем, например, в процессах смешивания, гомогенизации и интенсификации гетерогенных процессов в так»х системах. Это объясняется тем, что вследствие неоднородности самой структуры, неравномерности полей напряжений, возникающих при действии на структуру внешних сил и разброса в прочности отдельных • контактов, разрушение структуры под действием внешних» сил сопровождается ее распадом не на первичные частицы, а на от дельные агрегаты из частиц, связанных «точечными» или коагу ляционными контактами. Внутри агрегатов, которые самопроизвольно образуются с момента возникновения поверхности раздела между фазами, т. е. уже в самом начале процесса структурообразования (например, в начале смешивания различных компонентов пищевых продуктов), зафиксирована максимальная степень неоднородности распределения фаз, соответствующая моменту возникновения структуры в системе. Поэтому в принципе только при предельном и непрерывном разрушении структуры с обратимыми по прочности еще недостаточно для достижения максимальной однородности пищевьйг дисперсных систем, например, в процессах смешивания, гомогенизации и интенсификации гетерогенных процессов в так»х системах.