Вибрационное перемешивание как пример высокоинтенсивного технологического процесса получения пищевых дисперсных систем

18.06.2015

Среди технологических процессов получения пищевых дисперсных систем операция смешивания компонентов является важнейшей, так как на этой стадии формируется собственно структура пищевых масс и предопределяется качество готовых изделий.
Кроме того, смешивание предшествует целому ряду последующих операций, специфических при получении различных пищевых изделий: формованию, сушке или выпечке, отделке и ряду других аналогичных процессов.
Вместе с тем смешиванию пищевых масс сопутствует целый ряд гетерогенных процессов: дезагрегирование исходного сырья и частичное диспергирование образовавшихся агрегатов, взаимные переходы фаз, коллоидно-химические процессы и т. д., влияющие на качество готовых изделий. Следует отметить, что равномерное распределение компонентов является одной из частных, хотя и важных задач.
Главное — формирование структуры пищевых дисперсных систем с заданными свойствами на всех стадиях приготовления.
Достижение основной и непосредственной цели смешивания — однородности распределения фаз — неразрывно связано с управлением процессом образования структуры.
Основная особенность высококонцентрированных пищевых дисперсных систем, как следует из изложенного выше, состоит в том, что их структурно-механические свойства весьма чувствительны к внешним механическим воздействиям. Вместе с тем существенно важно применение специфических для каждого конкретного случая оптимальных по условиям подведения и по параметрам механических воздействий в сочетании с введением добавок ПАВ.
Для осуществления процесса перемешивания, т. е. взаимного однородного распределения компонентов в многокомпонентной системе, принудительная взаимная конвективная диффузия создается в результате вращения лопастей смесителя, для чего, естественно, приходится преодолевать значительные сопротивления дисперсного материала, обусловленные трением частиц друг о друга, т. е. «реологические сопротивления». Процесс смешивания возможен только в том случае, если в дисперсной системе создаются градиенты скоростей между слоями.
Чем больше перепад скоростей ε = dε/dτ (ε — деформация, τ — время) от слоя к слою и чем меньше разница в величине градиента скоростей по объему смесителя, тем более эффективен процесс смешивания и быстрее достигается необходимая однородность — «гомогенность» гетерогенной системы. Ho осуществление этих условий тем более затруднительно, чем больше объем смесительной камеры.
Вместе с тем с увеличением объема резко возрастает реологическое сопротивление системы и соответственно растет потребляемая мощность, необходимая для осуществления процесса. Если увеличить скорость вращения лопастей, что, естественно, должно привести к повышению и скорости смешивания, то потребляемая мощность станет еще более высокой, а из-за возникновения разрывов сплошности в смешиваемой системе в условиях сдвигового деформирования при большой скорости такое увеличение не принесет желаемого эффекта, т. е. улучшения однородности взаимного распределения фаз.
Причинам возникновения разрыва сплошности, негативным следствиям его появления как одного из основных препятствий на пути получения однородных по структуре многокомпонентных пищевых дисперсных систем, а также методам его устранения посвящен специальный параграф главы VIII.
Обычно процесс смешивания рассматривается главным образом как статистический, а вероятностный оптимум процесса трактуется как достижение наибольшей степени беспорядка в расположении частиц с увеличением минимальной поверхности раздела фаз Sмин в начале процесса до максимального значения Sмакс в конце его или как оптимальное сочетание двух противоположных процессов: сепарирования (N) и смешивания (1/N) различных дисперсных фаз.
Во всех случаях кинетика снижения неоднородности системы в процессе ее смешивания рассматривается как непрерывно протекающий процесс, подчиняющийся обычно экспоненциальной зависимости вида:

S = Sмакс (1 — е-τс),

где τ — продолжительность смешивания; С — константа скорости смешивания.
Однако исследование только кинетики гомогенизации структурированной системы в отрыве от процесса образования структуры не позволяет обосновать оптимальные параметры смешивания, при которых достигается максимум однородности с одновременным снижением уровня энергетических затрат до минимума на осуществление процесса.
Учет изменения состояния системы в процессе смешивания по изменению интегральных реологических параметров вносит определенный вклад в решение этой задачи. Однако последовательность и механизм образования коагуляционной структуры при смешивании с учетом свойственных ей особенностей не изучены, а без выяснения механизма структурообразования, протекающего в коагуляционных структурах в ходе этого процесса, невозможно обосновать его оптимальные режимы и методы управления им.
При перемешивании в смесителях различных типов непрерывно перерабатываемая изменяющаяся по структурно-механическим характеристикам система подвергается преимущественно сдвиговой деформации вследствие вращения лопастей или других смешивающих элементов машин. Этот процесс может сопровождаться изменением объема системы.
При этом, как уже отмечалось выше, одно из основных условий однородного распределения компонентов перемешиваемой системы состоит в создании как в микро-, так и в макрообъемах значительных градиентов скоростей сдвиговых деформаций, достаточных для достижения наименьшего уровня вязкости.
Этому условию в полной мере удовлетворяет смешивание компонентов в условиях вибрации. Сущность процесса вибросмешивания заключается в том, что при поступательном движении источника колебаний по круговой или эллиптической траектории частицы смеси, непосредственно соприкасающиеся с источником колебаний, периодически получают ударный импульс, отбирая при этом определенную мощность, подводимую к системе через вибрирующий корпус и лопасти смесителя.
В свою очередь частицы граничного слоя при своем движении передают импульс и энергию более отдаленным соседним слоям, благодаря чему при вибрации в дисперсной системе распространяются волны, источником которых является вибрирующая поверхность. Это вызывает интенсивные колебания частиц и их циркуляцию. В отличие от других смесительных машин в вибросмесителях обеспечивается одновременное горизонтальное и вертикальное перемещение перерабатываемых систем, ибо наряду с перемешиванием материала месильными органами на больших радиусах происходит высокочастотное перемещение его на малых радиусах, равных амплитуде колебаний смесителя.
Благодаря сочетанию вибрационных воздействий с вращением месильных органов -в камере смесителя по всему рабочему объему создается зона интенсивного смешивания. Частицы перерабатываемых систем получают гораздо больше соударений, их траектории намного сложнее и имеют значительно больше взаимных пересечений, чем при перемешивании в смесителях других конструкций.
При соответствующих режимах вибрирования связи между частицами настолько нарушаются, что силы тяжести становятся исчезающе малыми по сравнению с инерционными силами, обусловленными вибрацией с ускорением колебаний аω2/g≥1, и компоненты смеси переходят во взвешенное состояние — состояние виброкипения. Условия взаимной диффузий компонентов резко облегчаются, что обеспечивает высокие показатели микрооднородности системы.
Наряду с этим в результате возникновения градиентов скорости взаимосмещений частиц смеси вследствие разности масс и изменения колебаний системы по фазе при распространении колебаний в слое смешиваемой массы происходит дезагрегирование частиц исходного сырья. Вместе с тем в ряде случаев обнаруживается некоторое диспергирование частиц обрабатываемого материала. Последнее способствует значительному повышению показателя микро- и макрооднородности системы при условии эффективного разрушения структуры из частиц.
При воздействии вибрации создаются условия для предельного или близкого к нему снижения вязкости системы и существенного ускорения процессов контактирования максимального количества частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой. При этом изменяются не только структурно-механические свойства, но и характер процесса формирования структуры дисперсных материалов.
Из сказанного следует, что наиболее эффективно колебания воздействуют на слои дисперсной системы, соприкасающиеся с вибрирующей поверхностью, так как по мере передачи энергии от слоя к слою величина импульсов, уменьшается вследствие диссипации энергии в объеме системы.
С этой точки зрения для обеспечения объемного вибрационного перемешивания месильная камера должна быть как можно меньшего диаметра с максимально развитой поверхностью, передающей вибрацию.
В этом случае весьма показателен предложенный в работе параметр Fv (в м), характеризующий «вибрационную активность» поверхности смесителя
Вибрационное перемешивание как пример  высокоинтенсивного технологического процесса получения пищевых дисперсных систем

Поверхность, передающая вибрацию в цилиндрической, трубчатой формы смесительной камере, может быть определена по формуле
Вибрационное перемешивание как пример  высокоинтенсивного технологического процесса получения пищевых дисперсных систем

Объем месильной камеры рассчитывается, по формуле
Вибрационное перемешивание как пример  высокоинтенсивного технологического процесса получения пищевых дисперсных систем

Таким образом, после преобразования формула (VI.1) примет вид
Вибрационное перемешивание как пример  высокоинтенсивного технологического процесса получения пищевых дисперсных систем

Следовательно, величина Fv может служить мерой, характеризующей воздействие вибрации на обрабатываемый материал. С увеличением диаметра месильных органов происходит уменьшение удельной поверхности, передающей вибрацию, и в связи с этим снижение эффективности работы вибросмесителя.
Вибрационное смешивание является весьма перспективным и высокоинтенсивным способом получения пищевых масс, позволяющим коренным образом изменить характер процесса структурообразования и значительно улучшить качество готовых изделий.
В вибросмесителях в наибольшей степени соблюдено основное условие получения дисперсных систем с заданными свойствами: в установке реализованы такие параметры механических воздействий, которые обеспечивают любое регулируемое и, что особенно важно, предельное разрушение структуры на начальных стадиях во всем объеме системы и максимальную однородность распределения фаз в самом начале процесса структурообразования.
Создание малогабаритных установок, в которых при относительно малом объеме рабочей камеры удается получить изотропное и притом предельное разрушение структуры в течение нескольких секунд с начала процесса смешивания, позволяет, как это будет показано далее, коренным образом изменить весь последующий ход структурообразования в дисперсных системах.
Так как процесс смешивания в таких системах осуществляется в условиях понижения эффективной вязкости на несколько (до 7—8) десятичных порядков, а скорость конвективной диффузии обратно пропорциональна вязкости системы, то, естественно, и скорость процесса смешивания в принципе может быть ускорена в десятки, сотни и даже тысячи раз. В реальных технологических, процессах, основанных на использовании вибрации в сочетании с введением добавок ПАВ, достигнуто ускорение процесса в несколько сотен раз при одновременном значительном снижении энергоемкости. Этот результат, характеризующий кардинальное изменение условий смешивания высококонцентрированных дисперсных систем при вибрации, следует рассматривать как доказательство принципиальной возможности ускорения процесса на порядки величин.
Создание оптимального динамического состояния в дисперсной системе снимает препятствия на пути ускорения процесса смешивания и аналогичных ему процессов. Увеличивая скорость вращения лопастей смесителя при одновременном поддержании с помощью объемного вибрирования предельного разрушения структуры, можно увеличить скорость конвективной диффузии и соответственно скорость смешивания. Именно таким образом и осуществляется смешивание высоковязких пищевых (кондитерских) масс, существенно отличающихся по своим структурномеханическим свойствам. За несколько секунд смешивания в условиях предельного разрушения структуры достигается такая максимальная однородность распределения компонентов, которая не может быть достигнута за несколько десятков часов перемешивания тех же систем в существующих крупногабаритных металло- и энергоемких установках периодического действия.
Сокращение длительности смешивания во много раз и увеличение однородности системы, переход от крупногабаритных малопроизводительных и энергоемких установок к высокопроизводительным малогабаритным установкам непрерывного действия позволяют резко интенсифицировать процесс, сократить производственные площади при одновременном повышении качества готовой продукции. При этом повышение концентрации и дисперсности твердых фаз, в обычных условиях смешивания препятствующее достижению однородности, перестает быть лимитирующим фактором на пути получения однородных по структуре дисперсных систем.
He меньшее значение имеет обстоятельство, связанное с сокращением времени перемешивания при интенсивных механических воздействиях на дисперсную систему с нескольких десятков часов до. нескольких секунд.
Переработка многих пищевых дисперсных систем связана не только с осуществлением гидромеханических процессов, таких, как, например, смешивание, но также и с химическими и фазовыми превращениями: растворением, выделением новой фазы из пересыщенных растворов, кристаллизацией, сушкой и т. д.
Возможность регулирования длительности и интенсивности гидромеханических процессов позволяет осуществить их в тех случаях, когда это необходимо, до начала активных коллоидно-химических или фазовых превращений, т. е. отделить друг от друга в пространстве и во времени проведение существенно различных по природе химико-технологических процессов.
Это означает, что становится возможным избежать необратимого разрушения структуры, завершив процесс перемешивания компонентов до начала протекания активных коллоидных процессов. И наоборот, в тех случаях, когда интенсивный массообмен позволяет ускорить химические и фазовые превращения и когда такое ускорение является необходимым, наложение интенсивных механических вибрационных воздействий (в том числе в сочетании с тепловыми, ультразвуковыми воздействиями) является весьма целесообразным.