Принципы создания регулируемого динамического состояния пищевых дисперсных систем в технологических процессах

18.06.2015

Ранее было показано, что структурно-механические свойства наиболее показательны как по диапазону возможных изменений, так и по исключительной их чувствительности 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 в 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 производства 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 основных структурно-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 равновероятное 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 объема 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 фазы и участия частиц в тепловом (броуновском) движении, в высококонцентрированных 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 уровня характеризуемого эффективной вязкостью ηР<η0.
Однако выполнения условия ηР<η0 еще недостаточно для достижения максимальной однородности пищевых дисперсных систем, например, в процессах смешивания, гомогенизации и интенсификации гетерогенных процессов в таких 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 отдельные агрегата из частиц, связанных «точечными» или коагуляционными 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 атомными и коагуляционными контактами в целом и всех агрегатов из частиц с полным их разобщением (разрывом всех контактов) и высвобождением из структурной сетки иммобилизованной в ней и неравномерно распределенной дисперсионной среды, т.е. лишь при выполнении условия η(Р)≈ηm, возможно полное и равновероятное перераспределение различных фаз и компонентов в микро- и макрообъемах системы, а именно — достижение ее предельной однородности. Вместе с тем реализация этого условия необходима и для интенсификации технологических процессов, осуществляемых в машинах и аппаратах с внешним подводом механической энергии.
Это, конечно, относится ко всем тем видам пищевых дисперсных систем, для которых предельное разрушение структуры необходимо с технологической точки зрения и положительно сказывается на качестве готового продукта. В тех случаях, когда нет необходимости разрушать структуру предельно, т. е. до уровня η(P)=ηm, речь идет о достижении и поддержании в течение необходимого времени регулируемого оптимального для данного конкретного вида продукта уровня разрушения в пределах ηm<η(P)<η0.
Примером необходимости реализации условия η(Р)=ηm может служить процесс смешивания муки с водой и добавками при получении кондитерских изделий, процесс сушки порошкообразных продуктов или их получения с помощью сушки в кипящем слое.
Пример целесообразности реализации условия ηm<η(P)<η0 — получение сырковой массы в результате смешивания ее рецептурных компонентов, а также при формовании.
Из изложенного вытекают два важных следствия.
1. Осуществление массообменных процессов, сопровождающихся конвективной диффузией в микрогетерогенных высококонцентрированных пищевых дисперсных системах при действии внешних сил в различных технологических операциях возможно только при непрерывном разрушении таких структур.
2. Основное условие оптимизации и интенсификации этих процессов, без выполнения которого невозможно обеспечить максимальную однородность распределения фаз, увеличить до максимума активную поверхность раздела между ними, снизить до минимума сопротивление изменению объема или формы и увеличить скорость процесса, есть предельное или заданное регулируемое разрушение структуры.
Следовательно, степень разрушения структуры, характеризуемую ее структурной вязкостью ηP, следует рассматривать как критерий эффективности воздействий на дисперсные системы в процессах массообмена, а предельное разрушение, определяемое наименьшим уровнем этой вязкости ηm — как критерий оптимального уровня интенсивности воздействия.
Таким образом, совокупность указанных выше физических и прежде всего реологических характеристик определяет не только поведение данного пищевого материала в условиях механических воздействий на него на разных стадиях переработки, но и отражает те изменения, которые происходят в результате осуществления той или иной технологической операции.
Приведем характерные примеры.
При первичной переработке зерна, какао-бобов и тому подобных материалов технологические операции могут быть различны. Ho эти объекты переработки есть сыпучие грубодисперсные материалы, пока они рассматриваются в совокупности. Когда же речь идет, например, о диспергировании каждого элемента системы (измельчении, гомогенизации и т. д.), существенно важной становится физико-механическая характеристика возникающей структуры (ее структурно-реологические свойства).
При переработке микрогетерогенных (вязко-пластичных) систем (кондитерское и хлебопекарное тесто, мясные фарши и т. п.) определяющим фактором будут реологические свойства таких систем, учитывающие их изменения в процессе формирования структуры на всех стадиях приготовления.
Следовательно, закономерности взаимодействия перерабатываемых систем и машин, в которых осуществляется данная конкретная технологическая операция, должны определяться типом структуры, характеризующим реологические свойства, а также агрегатным состоянием исходного сырья, полуфабрикатов и готовых изделий.
Отсюда следует, что управление структурообразованием в таких системах должно предусматривать сочетание механических воздействий и существенного ослабления энергии (силы) сцепления в контактах между частицами. Такое ослабление сцепления частиц может достигаться в результате физико-химического управления свойствами поверхности дисперсных фаз преимущественно при введении в систему адсорбирующихся на этой поверхности добавок поверхностно-активных веществ различной химической природы и строения, а также путем изменения свойств двойного электрического слоя. Имеется в виду химическое модифицирование поверхности частиц, в первую очередь с помощью ЛАВ, или изменение электрокинетического потенциала, в частности, с помощью электролитов.
Этим определяется необходимость такого выбора формы и интенсивности механических воздействий, вида добавок ПАВ и их количества, при котором эффективность совместного действия этих факторов на дисперсные системы в процессах физико-химического управления их свойствами будет наибольшей.
В связи с этим следует определить, что понимается под физико-химическим управлением свойствами рассматриваемых систем. Так как главные свойства концентрированных структурированных дисперсных систем — структурно-механические свойства, поэтому физико-химическое управление такими системами и гетерогенными процессами, протекающими в них, предполагает прежде всего регулирование реологических свойств во всем диапазоне их изменения, а также управление процессами структурообразования с целью получения дисперсных систем и дисперсных материалов с заданными свойствами и структурой.
Во-первых, — это прежде всего достижение и поддержание в динамических условиях заданной степени изотропного разрушения структуры, определяющего регулируемую эффективную вязкость системы η(P) в диапазоне от наибольшей вязкости неразрушенной структуры η0 до наименьшей вязкости предельно разрушенной структуры ηm.
Достижение максимальной легкоподвижности (текучести) системы, т. е. наименьшего уровня вязкости изотропно и предельно разрушенной структуры ηm — главное условие управления структурно-механическими свойствами и процессами структурообразования в высококонцентрированных дисперсных системах.
Во-вторых, управление процессами структурообразования и в высококонцентрированных дисперсиях, предусматривающее:
- достижение максимальной концентрационной однородности структуры (т. е. однородности распределения различных дисперсных фаз и среды между собой) при возрастающих концентрации, и дисперсности твердой фазы как основы получения пищевых дисперсных систем и продуктов высокого качества;
- регулирование кинетики образования дисперсных структур с заданными свойствами.
В-третьих, — управление упругими, вязкостными, прочностными, релаксационными свойствами дисперсных систем и их деформируемостью (т. е. величиной предельной деформации) в статических условиях.
В-четвертых, — разделение по времени, условиям подведения и виду воздействий для регулирования (управления) структурно-механическими свойствами пищевых дисперсных систем к воздействий, необходимых для интенсификации химических и биохимических процессов, связанных с превращением исходного сырья в готовый продукт.
В результате направленного регулирования структурно-механических свойств пищевых дисперсных систем реализуются условия для достижения максимальной текучести и однородности структуры. А это, в свою очередь, является необходимым условием для того, чтобы уже на начальных стадиях структурообразования создать предпосылки для осуществления всех последующих процессов (т. е. химических и фазовых превращений) с минимальным отклонением в скорости их протекания и степени завершенности в отдельных участках объема перерабатываемой дисперсной системы и во всем ее объеме.
В заключение следует отметить, что современные представления в области физико-химической механики дисперсных систем и дисперсных материалов позволяют дать общую классификацию дисперсных (в том числе и пищевых) систем по тем признакам, которые определяют поведение этих систем в условиях основного вида воздействий на них в технологических процессах — механических воздействий (схема 1).
Среди всей совокупности физических свойств, приведенных на схеме, решающими свойствами, определяющими поведение системы в условиях механических воздействий, являются реологические характеристики систем в целом и элементов, их образующих. Ранее было показано, что в условиях механических воздействий реологические характеристики могут изменяться на много десятичных порядков и являются наиболее показательными как по диапазону возможных изменений, так и по чувствительности к механическим воздействиям.

Принципы создания регулируемого динамического состояния  пищевых дисперсных систем в технологических процессах

В настоящее время, благодаря работам П.А. Ребиндера и его ближайших сотрудников, классическая реология — наука о деформации и течении дисперсных систем, главная задача которой применительно к дисперсным системам состояла в изучении их структурно-механических свойств и влияния на них отдельных факторов, превратилась в управляющую реологию. Цель управляющей реологии состоит в обосновании такого сочетания различных видов воздействий, при котором обеспечивается заданный оптимальный уровень реологических характеристик системы в течение всего технологического процесса.
Такой новый подход предопределяет в свою очередь новые критерии для обоснования параметров технологического оборудования, основное назначение которого состоит в реализации оптимально выбранных воздействий в период всего технологического процесса.
Важнейшим условием получения дисперсных продуктов с заданными структурно-механическими свойствами является управление свойствами пищевых дисперсных систем на всех стадиях процесса структурообразования.
Одна из основных задач современной технологии производства различных видов пищевых продуктов состоит в обосновании: наиболее эффективных параметров технологических процессов и изыскании путей и методов их интенсификации при одновременном повышении качества изделий.
Эта задача решается на основе выяснения на микроскопическом (молекулярном) уровне закономерностей и механизмов процессов образования, пищевых дисперсных систем, процессов их деформации, образования и разрушения в них структур, выяснения роли молекулярно-поверхностных явлений в соответствующих системах, реализации наиболее эффективных путей и методов превращения исходного сырья в конечный продукт.
При этом осуществление физико-химического управления массообменными гетерогенными процессами (в условиях конвективной диффузии) в структурированных дисперсных системах должно предусматривать:
1. Управление силой (энергией) сцепления в контактах между частицами с использованием для этой цели эффекта адсорбционного понижения прочности структуры в присутствии поверхностно-активной среды.
2. Применение совместно с ПАВ механических воздействий, обеспечивающих сочетание непрерывного и периодического объемо- и формоизменения системы с достижением любого заданного, в том числе и предельного (ηP=ηm) уровня разрушения структуры.
Здесь следует особо подчеркнуть необходимость сочетания ПАВ и механических воздействий.
Вместе с тем наряду с механическими воздействиями и в сочетании с ними в ряде случаев могут с успехом использоваться и другие виды воздействия: тепловые, ультразвуковые, воздействия электрических и магнитных полей и т. д. В качестве примера можно привести технологические процессы переработки шоколадных и пралиновых масс. Эффективность процессов в этих и аналогичных им системах резко возрастает в условиях совместных механических и тепловых воздействий. Проблема управления гетерогенными процессами в дисперсных системах такого рода состоит в том, чтобы обосновать оптимальные сочетания различных видов воздействий на системы на всех стадиях процессов их переработки.
Обычно изучалось влияние на дисперсные системы одного из указанных факторов; в тех же случаях, когда исследовалось их совместное воздействие, результат его оценивался главным образом по изменению структурно-механических свойств уже сформировавшейся дисперсной системы. Специфика и новизна в реализации комплексного подхода к управлению свойствами дисперсных систем состоит в том, что изучение закономерностей образования и разрушения дисперсных структур и управление этими процессами в сочетании физико-химических, механических и иных воздействий должно осуществляться непрерывно, непосредственно в ходе гетерогенных процессов формирования дисперсных структур из первичных фаз (исходных компонентов), т. е. с момента возникновения поверхности раздела между различными фазами до завершения фазовых или химических превращений.
В ходе технологического процесса изменяются физико-механические свойства, а часто и химический состав исходного сырья и полуфабрикатов: происходит сложный процесс их перехода в готовый продукт. Этот процесс сопровождается подведением к перерабатываемой среде различных видов механических воздействий различной интенсивности. Эффективность процесса с точки зрения энергетических затрат на его осуществление тем выше, чем большая доля подводимой энергии, поглощаемая средой, расходуется на придание среде заданных свойств. Отсюда следует, насколько важно в технологии пищевых производств сделать правильный выбор вида и интенсивности воздействий, а также условий их поведения к перерабатываемым системам.
В настоящее время выбор параметров этих воздействий осуществляется главным образом исходя из условий проведения данной конкретной технологической операции — получения определенного вида пищевого продукта.
Сам по себе такой подход вполне естественен и оправдан. Однако он имеет и свои недостатки. Дело в том, что при производстве самых различных видов пищевых продуктов технологические операции, связанные с подводом механических воздействий, часто в разных вариантах повторяются. Между тем при существующем подходе к выбору параметров механических воздействий для осуществления каждой конкретной технологической операции параметры процесса устанавливаются только применительно к данному определенному пищевому продукту без учета общности свойств продуктов переработки пищевой промышленности и возможности более общего подхода с единых позиций к выбору вида условия подведения и интенсивности механических воздействий.
В самом деле, в большинстве случаев исходное сырье, полуфабрикаты и готовые пищевые изделия являются дисперсными системами, представляющими собой сочетание жидкой дисперсионной среды, твердой дисперсной и газовой фаз. Следовательно, реакцию различных пищевых дисперсных систем на внешние механические воздействия при их переработке в аппаратах и машинах с внешним подводом механической энергии в различных технологических операциях можно характеризовать с единых позиций с помощью совокупности физических и в первую очередь реологических свойств объектов переработки в статических условиях и в динамике, т. е. в условиях механических воздействий.
Это состояние системы в делом и образующих ее элементов, (отдельных частиц, агрегатов из частиц), т. е. поведение совокупности частиц (элементов структуры), их взаимное влияние друг на друга в условиях внешних механических воздействий и свойства каждого элемента системы в отдельности, определяются: размерами отдельных элементов, образующих данную систему, их формой, плотностью, упруговязкостными и релаксационными свойствами и прочностью связей между элементами системы.
Поясним эту мысль несколькими конкретными примерами.
Для приготовления теста для мучных кондитерских изделий необходимо поддерживать вязкость на определенном уровне и получить тесто с необходимой плотностью, вязкостью и упругостью, осуществить равномерное распределение компонентов во всем объеме. В свою очередь эти свойства определяются фракционным составом частиц исходного сырья, их агрегатным состоянием и прочностью контактов, качеством клейковины и влажностью компонентов.
Поведение слоя сахара-песка в процессе сушки зависит от свойств системы в целом в условиях механических воздействий, плотности слоя, его упругости, вязкости, насыпной массы и вместе с тем от свойств отдельных частиц кристаллического сахара: формы, размера, прочности и хрупкости каждой частицы, модуля упругости, прочности мгновенных контактов, возникающих в слое в процессе соударения частиц.
При приготовлении шоколадных масс качество готовых изделий, их прочность и хрупкость, требуемое количество какао-масла зависят от равномерности распределения компонентов, вязкости шоколадных масс и прочности системы в процессе переработки. Между тем все вышеперечисленные свойства системы зависят от свойств каждой частицы твердой фазы и дисперсионной среды: дисперсности и формы частиц после вальцевания, прочности контактов при вторичном агрегировании компонентов и в процессе приготовления шоколадных масс на стадиях разводки и конширования, количества «связанного» и «свободного» масла и т. д.
Совершенно ясно, что выбор формы и интенсивности механических воздействий и условий их подведения к перерабатываемым системам не может быть правильно осуществлен без учета всего комплекса приведенных выше физико-химических и реологических свойств продуктов переработки пищевых дисперсных систем. В процессе технологической обработки указанные свойства пищевых систем претерпевают значительные изменения, поэтому соответственно должны изменяться параметры механических воздействий, их вид и условия подведения в каждой конкретной операции.
Отсюда следует, что единый подход к выбору типа, формы и интенсивности механических воздействий должен прежде всего исходить из анализа совокупности физико-химических и структурно-механических свойств объекта переработки и их изменений при осуществлении конкретной технологической операции. При проведении однотипных технологических операций, связанных с переработкой самых различных видов пищевых продуктов, этот единый подход может быть реализован в том случае, если указанные выше физические характеристики исходного сырья и полуфабрикатов близки друг к другу и претерпевают в процессе обработки однотипные превращения.
Под однотипными операциями могут подразумеваться разные технологические операции (например, просеивание, сепарирование, смешивание, гомогенизация, дозирование, транспортирование и т. д.), но однотипные в том смысле, что в ходе их проведения характер изменения указанной выше совокупности физических и особенно входящих в них реологических параметров одинаков.
Отсюда следует, что, определив абсолютное значение соответствующих оптимуму совокупности необходимых параметров проведения технологических процессов, можно строго количественно, исходя из этих параметров, определить оптимальный уровень внешних механических воздействий на перерабатываемые продукты, а также выбрать тип машин, позволяющий осуществить эти параметры.
Из изложенного вытекает принципиальная возможность реализации общего подхода к управлению реологическими свойствами различных систем в аналогичных (однотипных) технологических операциях. Поясним это на ряде конкретных примеров. Наиболее представительны двухфазные системы типа Т—Ж.
При приготовлении самых различных вязко-пластичных (упруговязкопластичных) пастообразных масс (всех видов мучного теста, шоколадных и конфетных масс, мясных фаршей и других видов пищевых изделий) достижение максимальной конечной однородности, как это отмечалось ранее, возможно только в условиях достижения наименьшего значения эффективной вязкости ηP=ηm. Именно этот критерий отвечает также условиям максимальной интенсификации процесса смешивания, так как при снижении вязкости (вплоть до наименьшей вязкости предельно разрушенной структуры ηP→ηm) можно резко увеличить скорость непрерывного сдвигового деформирования, что необходимо для перераспределения компонентов в перерабатываемой системе без повышения ее температуры свыше допустимых технологией пределов. Чем выше скорость непрерывной сдвиговой деформации ε, тем быстрее будет достигнута конечная однородность.
В принципе увеличение скорости и сокращение времени создания максимальной однородности может достигать многих десятичных порядков и возрастать во столько раз, во сколько раз снижается эффективная вязкость. Иными словами скорость конвективной диффузии, обратно пропорциональная вязкости системы, может возрастать на величину η0/ηm (т. е. до 106 и более раз).
В данном примере механические воздействия должны выполнять две различные функции: они должны создать условия для достижения наименьшего уровня вязкости путем разрушения структуры; обеспечить за счет сдвигового деформирования однородное поле воздействия и, как следствие, равномерное распределение компонентов в условиях наименьшей вязкости.
Отсюда следует, что параметры механических воздействий для решения обеих задач в условиях одной технологической операции (перемешивание компонентов) во многих случаях должны быть различны. Более того, во многих случаях решение этих задач с помощью одного вида механических воздействий (например, как в рассмотренном случае, только с помощью непрерывного, возрастающего по скорости сдвигового деформирования) невозможно.
Между тем в большинстве технологических процессов, в частности в процессах смешивания и гомогенизации пищевых масс, это важнейшее обстоятельство не учитывалось, что явилось на практике препятствием для резкой интенсификации и оптимизации технологических процессов и повышения качества пищевых продуктов.
Примером другой, принципиально отличной от предыдущей технологической операции может служить сушка сыпучих компонентов. Механические воздействия в данном случае должны, во-первых, создать одинаковое состояние дисперсной системы, однородную плотность в ее объеме и, во-вторых, повысить скорость массообменных процессов до уровня, соответствующего полному устранению диффузионного препятствия на границе раздела между частицами и парогазовой среды и тем самым резко интенсифицировать процесс сушки. В этом примере состояние дисперсной системы обусловливается: необходимостью получения определенной пористости во всем объеме и достижением одинаковой концентрации — однородности распределения частиц в каждом элементе объема.
Массообменные процессы должны осуществляться на фоне этого состояния. Данное состояние должно поддерживаться на легко регулируемом заданном уровне в течение всего периода проведения этой конкретной технологической операции.
Следует отметить, что для создания необходимого состояния дисперсной системы и для проведения конкретной технологической операции на фоне этого состояния необходимо строго разграничить параметры механических воздействий. Эти параметры могут совпадать при осуществлении технологической операции и обеспечении однородного состояния с помощью одного вида механических воздействий (в наиболее простых случаях, например, при просеивании или фильтрации компонентов), но гораздо чаще механические воздействия, а следовательно, и их параметры должны быть различными.
В процессе формования требуется понизить вязкость системы с помощью внешних механических воздействий до уровня меньшего уровня вязкости практически неразрушенной структуры (ηР<η0), а напряжение от внешних сил должно быть больше, чем предел прочности структуры (предельное напряжение сдвига по Бингаму). Это необходимое условие формования. Однако оно еще недостаточно для осуществления процесса формования с заданной скоростью. Если скорость деформации будет больше скорости релаксации напряжений в формируемой массе, то в структуре возможно появление макроразрывов. Вместе с тем при чрезмерно высокой скорости деформирования вязкость системы понизится до такого уровня, что после прекращения воздействия внешних сил изделия не смогут сохранить заданную форму.
Следовательно, необходимо соизмерять степень разрушении структур, скорость деформации системы и релаксационные свойства формируемых масс. Отсюда вытекает, что функции механических воздействий целесообразно разделить. Одна предназначена для достижения регулируемой степени разрушения структур (ее вязкости) и обеспечения необходимых релаксационных характеристик в объеме структуры, другая — для придания изделию необходимой формы.
В отдельных случаях эти задачи могут выполняться в одной: и той же машине путем изменения мощности или интенсивности воздействия. Однако в силу существенного различия поставленных задач рассматриваемой технологической операции целесообразно учитывать специфику каждой из них. В связи с этим необходимо соответственно выбрать форму механических воздействий для осуществления формования и для создания регулируемого состояния в формируемой массе в процессе формования.
Рассмотрим с этих же позиций процесс резки изделий. Данный процесс также можно разделить на две операции: собственно деление изделий на заданные части и преодоление сопротивления разрезаемого изделия. Чем выше сопротивление дисперсного продукта резанию и чем ниже скорость резания, тем больше вероятность необратимой деформации его в зоне резания. Ho с увеличением скорости резания увеличивается сопротивление продукта. Поэтому для оптимизации и интенсификации этого технологического процесса и в данном случае необходимо применять несколько видов механических воздействий: для создания необходимого состояния обрабатываемого изделия, обеспечивающего минимальный уровень сопротивления резанию, и собственно для процесса резания, обеспечивающего необходимые размеры изделия.
Подобных примеров можно привести множество.
Таким образом, для систем, реологические и другие физические характеристики которых изменяются в зависимости от интенсивности, вида и условий подведения внешних механических воздействий, при осуществлении любой технологической операции необходимо:
- создание оптимального динамического состояния системы;
- осуществление конкретной технологической операции при поддержании заданного оптимального состояния системы в течение всего времени проведения данной операции;
- установление соотношений между параметрами механических воздействий, обеспечивающих заданное оптимальное состояние системы, и параметрами механических воздействий для осуществления конкретной технологической операции.
Под оптимальным динамическим состоянием системы понимается определенный уровень ее физических, прежде всего реологических характеристик в динамических условиях, поддерживаемый одновременно во всем объеме системы (или при необходимости — в заданной его части, например в поверхностном слое) в течение всего времени проведения технологической операции и отвечающий оптимальным условиям ее проведения: максимальному ускорению процесса, регулируемому (при необходимости наименьшему) уровню реологических сопротивлений, достижению заданных оптимальных свойств структуры (например, ее высокой однородности) и т. д.
Отсюда следует, что для обоснования путей и методов оптимизации и интенсификации технологических процессов в пищевой промышленности и повышения качества различных видов готовых изделий единый подход к выбору формы, интенсивности и условий подведения к системам внешних механических воздействий не только возможен, но и необходим.
-До настоящего времени в технологии приготовления пищевых продуктов при выборе параметров воздействий, машин и аппаратов не учитывали необходимость целенаправленного создания определенного фона, т. е. регулируемого динамического состояния системы для конкретной технологической операции. Причем это динамическое состояние может существенно изменяться.
Сказанное, конечно, не означает, что в реальных технологических процессах при переработке различных пищевых продуктов не создается в ряде случаев необходимое состояние систем, поскольку целый ряд процессов вообще невозможно осуществить без управления состоянием перерабатываемых материалов. Однако, как правило, строгому определению параметров состояния систем в процессе технологической обработки не придавалось столь важного значения в том смысле, как это сделано в настоящей книге. Их выбор часто был случаен. Поэтому технологические процессы получения ряда пищевых продуктов осуществляются не на оптимальном уровне как с точки зрения энергетических, тепловых и других затрат, так и с точки зрения достигаемого конечного технологического эффекта.
Выше мы отмечали, что в разбавленных коллоидах альтернативой взаимодействия дисперсных фаз между собой является их участие в тепловом броуновском движении, инициируемом тепловыми колебаниями атомов или молекул дисперсионной среды. Энергия взаимодействия частиц в разбавленных коллоидах и ее распределение по уровням определяется той энергией тепловых колебаний атомов или молекул дисперсионной среды, при которой происходит разрыв связей между частицами.
В концентрированных высокодисперсных системах, в которых энергия связи и сила взаимодействия существенно превышают энергию тепловых колебаний молекул дисперсионной среды, энергия и сила контактных взаимодействий должны определяться суммой энергии механических воздействий и энергии тепловых колебаний частиц. Ho для большинства реальных концентрированных дисперсных систем, содержащих частицы, размер которых превышает размеры коллоидных частиц, вклад энергии тепловых колебаний становится несущественным, сила и энергия взаимодействуя в контактах между частицами определяются в основном интенсивностью внешних механических воздействий, необходимой для разрыва контакта.
Именно поэтому выбор формы и определение интенсивности механических воздействий на дисперсные системы приобретает важное значение для изучения их реологических свойств и контактных взаимодействий между образующими дисперсную систему частицами.
При выборе формы и определении интенсивности механических воздействий на структурированные дисперсные системы необходимо учитывать ряд вытекающих из всего изложенного условий.
Во-первых, подобно тому как тепловые колебания создают изотропное динамическое состояние в разбавленных коллоидах, механические воздействия на концентрированные системы должны создавать и поддерживать изотропную (или близкую к ней) равновероятную степень разрушения структуры во всем исследуемом объеме дисперсной системы.
Во-вторых, интенсивность механических воздействий должна быть достаточной для достижения любой регулируемой степени разрушения структуры, включая предельное ее разрушение во всем исследуемом объеме дисперсной системы. В этом случае все обратимые по прочности контакты между частицами, т. е. коагуляционные контакты в двухфазных и трехфазных системах, содержащих жидкую дисперсионную среду (для трехфазных — также и газовую среду), или атомные контакты в двухфазных сыпучих системах (в порошках), должны быть разрушены и этот уровень разрушения должен поддерживаться в течение заданного времени проведения технологической операции. Следует, конечно, иметь в виду, что речь идет об операциях, оптимальные условия проведения которых определяются предельным разрушением структуры (например, смешивание, гомогенизация, сушка высокодисперсных порошков и т. д.).
Это означает, что для всех основных видов двух- и трехфазных дисперсных систем с обратимыми по прочности контактами механические воздействия должны быть такими, чтобы в условиях этих воздействий могли быть получены полные реологические кривые течения указанных систем. Получение полных реологических кривых означает, что с помощью данного вида механических воздействий может достигаться любая степень равновесного разрушения структуры, определяемая эффективной вязкостью, изменяющейся от наибольшей вязкости практически неразрушенной структуры η0 до наименьшей ньютоновской вязкости предельно разрушенной структуры ηm. Последний уровень разрушения структуры соответствует разрушению всех контактов между частицами дисперсных фаз.
Достижение и поддержание во времени и во всем исследуемом объеме дисперсной системы путем подведения внешних механических воздействий такого динамического состояния, при котором все обратимые по прочности контакты между частицами будут разрушены, необходимо также и для изучения контактных взаимодействий в динамических условиях. Энергия (или мощность) механических воздействий, требуемая для достижения предельного разрушения структуры, может рассматриваться как основная характеристика для изучения закономерностей контактных взаимодействий в динамических условиях.
Создание и поддержание с помощью внешнего источника механической энергии регулируемого динамического состояния, определяющего заданную степень объемного и изотропного разрушения структуры, а также в пределе полного разрыва всех коагуляционных (или атомных) контактов, — необходимое требование не только для изучения реологических свойств концентрированных дисперсных систем и закономерностей контактных взаимодействий в динамических условиях. Создание наибольшей легкоподвижности, текучести — одно из основных условий эффективного проведения разнообразных химико-технологических (гидромеханических) процессов в дисперсных системах, особенно в системах с сильно развитой межфазной поверхностью и высокой концентрацией дисперсных фаз.
Эти процессы связаны с взаимодействием и взаимораспределением фаз и включают смешивание, транспортирование, уплотнение, разуплотнение и деформацию дисперсных систем. В ряде случаев такие процессы сопровождаются фазовыми и химическими превращениями. Цель проведения этих процессов — образование однородных дисперсных систем, управление их свойствами, и прежде всего текучестью.
Традиционный подход к изучению таких процессов в дисперсных системах в условиях механических воздействий основан на использовании представлений гидродинамики, механики сплошных сред и классической механики.
С позиции механики деформируемых сред дисперсные системы, например вязкие неньютоновские жидкости, можно считать сплошными средами. Однако при таком рассмотрении не учитываются гетерогенные химические процессы, протекающие в многофазных системах.
Для решения задач интенсификации и оптимизации технологических процессов в многофазных системах с высоким содержанием твердых фаз необходимо изучить закономерности взаимодействия дисперсных фаз в условиях механических, воздействий на эти системы, начиная с момента возникновения поверхности раздела между ними до завершения химических и фазовых превращений.
Таким образом, как для изучения коллоидно-химических, и прежде всего структурно-механических свойств концентрированных пищевых дисперсных систем и процессов структурообразования в них, так и для осуществления многочисленных химико-технологических процессов в таких системах необходимо создать и поддерживать в них с помощью механических воздействий динамическое состояние, определяемое заданным и регулируемым уровнем изотропного разрушения структуры.
Для двухфазных вязкопластичных систем (паст и суспензий) с коагуляционными контактами между частицами эти условия можно создать при сдвиговом деформировании с возрастающей скоростью ε, т. е. при создании во всем деформируемом объеме дисперсной системы чистого однородного сдвига со скоростью ε=εm. Причем еm соответствует уровень наименьшей эффективной ВЯЗКОСТИ η(P)=ηm.
Принципы создания регулируемого динамического состояния  пищевых дисперсных систем в технологических процессах

Однако для высококонцентрированных вязкопластичных дисперсных систем достижение предельного разрушения в условиях непрерывного сдвигового деформирования, как показано в работах, невозможно из-за появления разрыва сплошности, обнаруживаемого при весьма малой скорости деформации. Появление такого разрыва сплошности при малой скорости деформации означает, что разрушение структуры носит не объемный изотропный, а местный локальный характер (т. е. локализуется в зоне возникновения разрыва сплошности). В ограниченных поверхностями разрыва объемах дисперсной системы сдвиговое деформирование не распространяется и степень разрушения структуры не может превысить тот уровень разрушения, который достигается к моменту появления разрыва. Иными словами, разрушение структуры соответствует той скорости деформации, при которой возникает разрыв сплошности (рис. 16). Подробнее механизм, причины и следствия возникновения разрыва сплошности будут рассмотрены ниже. Главное же его следствие состоит в невозможности создания оптимального динамического состояния, соответствующего предельному разрушению, т. е. полному разрыву всех связей — контактов между частицами во всем деформируемом объеме.
Один из возможных путей решения этой задачи состоит в создании в дисперсной системе состояния псевдоожижения и определения энергетических характеристик этого процесса. Как известно, такое динамическое состояние может создаваться путем пропускания через слой дисперсной системы флюидизирующей среды, например газа в случае двухфазных систем типа T—Г или жидкости в системах типа T—Ж, со скоростью, достаточной для достижения частицами скорости витания, т. е. их взвешивания восходящим газовым потоком.
Метод псевдоожиженного или псевдокипящего слоя позволил осуществить ряд высокоинтенсивных процессов с участием твердых фаз. Он широко применяется в химической технологии и технологии пищевых производств.
Резкое увеличение (измеряемое порядками) скорости диффузии и конвекции в псевдокипящем слое позволяет рассматривать его как один из наиболее перспективных методов большинства технологических процессов в дисперсных системах с участием твердой фазы.
В псевдокипящем слое в газовом потоке можно выделить два характерных режима: режим псевдоожижения в «плотной» фазе и режим кипения в «разбавленной» фазе. Режим пседоожижения в «плотной» фазе реализуется при скоростях потока, ограниченных «снизу» скоростью псевдоожижения и «сверху» скоростью витания. Режим кипения в «разбавленной» фазе существует при скоростях, превышающих скорость витания.
Наиболее интенсивными могут быть процессы, осуществляемые в условиях псевдоожиженного слоя в дисперсных системах с сильно развитой межфазной поверхностью, так как скорости гетерогенных процессов обычно пропорциональны поверхности раздела между фазами. Реализация метода псевдоожиженного или кипящего слоя в концентрированных системах с размерами частиц δ≪δc представляет особый интерес, так как за счет резкого увеличения удельной межфазной поверхности при высокой скорости тепло- и массообмена такой процесс может быть весьма интенсивным.
Однако осуществление этого эффективного процесса возможно в тех случаях, когда по условиям его проведения соотношение между твердой фазой и жидкой или газовой дисперсионной средой может меняться в широких пределах (обычно при значительном избытке флюидизирующей среды).
Между тем в большинстве случаев и особенно при проведении процессов в концентрированных системах при δ<δc создание псевдоожиженного и псевдокипящего состояния только за счет избытка жидкости или газа невозможно, так как их содержание строго ограничено самими условиями проведения гетерогенных процессов. Кроме того, характерная для высококонцентрированных дисперсных систем с сильно развитой межфазной поверхностью (при δ<δc) склонность к агрегированию не позволяет осуществить при прохождении газа через слой полное их разрушение до исходных частиц.
Попытки достичь предельного разрушения структуры в целом и агрегатов из частиц путем повышения скорости и расхода газа в результате превышения скорости газового потока над скоростью витания частиц приводят к опасности уноса частиц и, кроме того, сопровождаются локальными пробоями слоя газовым потоком.
Таким образом, создание регулируемого динамического состояния в коцентрированных дисперсных системах, которое необходимо как для изучения их структурно-реологических свойств, так и для эффективного проведения ряда химико-технологических процессов в таких системах, с помощью традиционных методов невозможно. Причина состоит в невозможности достижения при сдвиговом деформировании высококонцентрированных вязкопластичных систем с жидкой дисперсионной средой или при создании псевдоожижения в сыпучих системах с газовой дисперсионной средой предельного разрушения структуры.
Реализация этого условия и достижения наибольшей легко-подвижности, текучести системы в свою очередь является главным условием физико-химического управления структурно-механическими свойствами и процессами структурообразования в концентрированных дисперсных системах, сопутствующими многочисленным технологическим процессам, в том числе процессам в пищевых дисперсных системах.
Попытки решения этой задачи путем повышения энергии или мощности подводимых к дисперсной системе механических воздействий, например путем увеличения скорости деформации при использовании высококонцентрированных пастообразных систем, обычно не позволяют воспользоваться этим условием потому, что диссипация подводимой энергии в дисперсной системе не равномерна по ее объему и носит локальный характер, т. е. не позволяет изотропно разрушить структуру. Универсальной формой механических воздействий, позволяющей, как показано в работах, устранить это препятствие, является вибрация (механические колебания) с регулируемыми частотами и амплитудами.
В заключение данного раздела еще раз следует подчеркнуть, что основную роль в процессах псевдоожижения и псевдокипения структурированных дисперсных систем приобретает не масса отдельных частиц, а сила и энергия связей между ними, т. е. поверхностные явления на границе раздела фаз. Как было указано выше, управление этими процессами должно быть основано на управлении контактными взаимодействиями.
По этой причине эффективное управление свойствами структурированных дисперсных систем должно основываться на сочетании физико-химических факторов (поверхностно-активных веществ), изменяющих природу поверхности твердой фазы и ослабляющих взаимодействие между частицами, и механических воздействий, преимущественно вибрации.
Подводя итог рассмотрению основ создания регулируемого динамического состояния различных (по типу структур) пищевых дисперсных систем в процессах их технологической переработки, необходимо подчеркнуть следующее.
Энергия разнообразных внешних воздействий на систему, непосредственно расходуемая на создание такого динамического состояния, понижает энергию активации процесса.
Эта энергия (например, механических колебаний — вибрации, тепловая, ультразвуковых воздействий и т. д.) позволяет понизить до минимума энергетический барьер, преодоление которого является необходимым условием проведения той или иной технологической операции, например, экструзионного формирования (макаронные изделия, кондитерские массы), перемешивания (получение мучного теста и т. д.), конширования шоколадных масс, резки, сушки в кипящем слое (сахарный песок) и т. д.
Иными словами, энергия, реализующая необходимое динамическое состояние дисперсной системы, позволяет регулировать состояние дисперсной системы, позволяет регулировать уровень энергии, непосредственно расходуемой на осуществление основной технологической операции, в частности, на деформацию системы (при формовании изделий), изменение ее объема (при уплотнении), сопротивление сдвигу (при перемешивании) и т. д.
В этом смысле имеется известная аналогия между понятием энергии активации химических реакций и энергии активации для создания динамического состояния дисперсных систем. Развивая эту аналогию, можно утверждать, что оптимальному динамическому состоянию соответствует тот вид и уровень энергии для интенсификации технологического процесса (данной операции), при котором затраты энергии, непосредственно расходуемой на осуществление этого процесса (например, на преодоление сопротивления при экструзионном формовании), — минимальны.
Как уже отмечалось выше, энергия для создания в системе регулируемого динамического состояния может подводиться в виде тепловой энергии (особенно в случае термочувствительных систем, например шоколадных масс), электрической энергии, энергии ультразвуковых колебаний и т. д.
Вместе с тем, универсальной формой энергии для большинства технологических процессов, осуществляемых в дисперсных системах с твердыми фазами, является, как это было показано в работах, энергия механических колебаний, т. е. энергия вибрационного поля. Это, конечно, ни в какой степени не исключает возможности и, более того, целесообразности сочетания вибрационных воздействий с другими, в частности тепловыми, воздействиями (например, для тех же шоколадных масс). Исходя из этого в книге наиболее существенное внимание будет уделено именно вибрационным воздействиям на пищевые дисперсные системы.
Обосновываемый в этой книге принцип разделения подводимой к дисперсной системе в процессе ее технологической переработки энергии на энергию, идущую для создания необходимого динамического состояния, и энергию, расходуемую непосредственно на осуществление данной конкретной технологической операции, позволяет в весьма широких пределах регулировать условия (параметры) проведения процесса, сделать его гибким, легко управляемым с учетом свойств перерабатываемого продукта.
Вместе с тем отсюда вытекает необходимость объективной оценки свойств перерабатываемого продукта, определяющих соответствующие параметры для реализации оптимального динамического состояния дисперсной системы.
Этот подход предопределяет и специфику в оценке свойств системы и их изменения в ходе процесса. В первую очередь речь идет о структурно-механических свойствах и их изменении, особенно с учетом воздействия на систему вибрационного поля.