Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

18.06.2015

Как было показано выше, наиболее сложными являются условия управления технологическими процессами формирования однородных трехфазных (Т—Ж—Г) структур, которые осуществляются обычно при одновременном изменении объема и формы системы путем смешивания дисперсных фаз, причем оптимальные условия смешивания соответствуют уровню η(Р)≈ηm.
Ранее было доказано, что условию η(Р)≈ηm в полной мере удовлетворяет находящий все более широкое и разнообразное применение метод вибрационного перемешивания, при котором обрабатываемая система подвергается, как и в обычных смесителях, объемо- и формоизменению за счет смешивающих элементов (лопастей и др.) при передаче системе вибрационных колебаний от корпуса или тех же смешивающих устройств.
Вибросмесильная машина 1 с камерой для непрерывного и периодического приготовления теста явилась основным элементом экспериментальной установки (рис. 46), состоящей из узла приготовления стойкой эмульсии, включающего в себя смеситель 5 для предварительного смешивания всех компонентов (кроме муки), установки для звуковой обработки смеси 4, насоса для дозирования эмульсии 3 и вибрационного дозатора муки шнекового типа 2.
Изменение реологического состояния в процессе смешивания системы изучалось путем фиксации изменения напряжения сдвига и эффективной вязкости системы, начиная с момента смешивания твердых дисперсных фаз без жидкой фазы и кончая образованием двухфазной системы твердая фаза — жидкая дисперсионная среда. Для этого в центре торцевой стенки смесительной камеры жестко укреплялся ротационный одноцилиндровый вискозиметр, рабочая часть которого — рифленый цилиндр входил в корпус между лопастными валами.

Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

Реологические константы рассчитывали по методике, приведенной ранее. Одновременно с исследованием динамики изменения однородности изучалось изменение плотности, прочности и расслоение структуры (агрегатов) исследуемых трехфазных T—Ж—Г систем.
Известно, что наиболее эффективно вибрационное перемешивание в сравнении со смешиванием без вибрации сказывается на свойствах наиболее сложных дисперсных структур с высоким содержанием твердой тонкодисперсной фазы при малом содержании жидкой дисперсионной среды.
Сложность управления свойствами таких систем состоит в том, что в отличие от двухфазных систем содержание жидкой фазы в трехфазных структурах меньше, концентрация твердой фазы выше, следовательно, число контактов в единице объема (при равной дисперсности твердой фазы) больше.
Особенно сложно обеспечить управление структурно-механическими свойствами пищевых дисперсных систем, которые в условиях конвективного массопереноса при смешивании последовательно образуют двухфазные системы (Т—Г), затем при введении жидкой фазы — трехфазные (Т—Ж—Г) и, наконец, после удаления газовой фазы переходят в высоконаполненные твердой фазой коагуляционные структуры, типичные для широкого класса двухфазных (Т—Ж) упруговязкопластичных и вязкопластичных систем.
Препятствием для достижения максимальной однородности таких структур является не только разрыв сплошности, о котором говорилось выше, но и два дополнительных фактора: непрерывное возрастание плотности в процессе смешивания и соответственно прочности структуры.
В результате этого на завершающих стадиях процесса технологической переработки возникают столь прочные и плотные структуры, что предельное разрушение их даже в условиях совместного действия вибрации и ПАВ чрезвычайно затруднено, а в ряде случаев практически невозможно.
Анализ кинетики структурообразования трехфазных дисперсных систем показывает, что условия, необходимые для достижения максимальной однородности распределения фаз и для перехода в двухфазные системы в результате удаления газовой фазы, принципиально различны.
Если достижение максимальной однородности распределения фаз без предельного разрушения структуры невозможно, то для осуществления перехода трехфазных систем в двухфазные необходимо и достаточно разрушить структуру до уровня ηр<η0, который может и не быть предельным.
Этот переход может происходить как в процессе смешивания, так и при сочетании смешивания с последующим формованием структуры.
Возможность независимого решения этих задач вытекает из особенности кинетики структурообразования трехфазных дисперсных систем, состоящей в том, что в самом начале процесса структурообразования в течение первых 10—15 с плотность и прочность элементов структуры и прочность контактов между частицами твердой фазы минимальны.
Именно поэтому в самом начале процесса структурообразования, т. е. до возникновения в системе плотных и прочных структурных элементов, наиболее целесообразно осуществить предельное разрушение структуры. Для этого необходимо одновременно во всех элементах объема перерабатываемой системы создать градиенты скоростей εv=εi=εm, т. е. равные предельным, и соответственно понизить вязкость системы до наименьшего уровня.
Основу методики исследования образования структуры составляет изучение и сравнение кинетики изменения структурномеханических свойств систем по их макрореологическим сдвиговым характеристикам, дифференциальных характеристик элементов структуры и кинетики распределения дисперсных фаз, т. е. однородности смешивания.
При исследовании однородности распределения дисперсных фаз в вязкопластичном и упруговязкопластичном теле применяли метод оценки эффективности смешивания, который состоит в определении поля рассеивания одного из компонентов (индикатора) в объеме смеси. Однородность распределения твердой и жидкой фаз в слабоструктурированном вафельном тесте оценивалась микрофотографированием системы.
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

Результаты исследования однородности распределения индикатора в сухих дисперсных компонентах (приведены для сравнительного анализа) и модельных системах с жидкой фазой (вязкопластичная и упруговязкопластичная) представлены на рис. 47 и 48.
Как при смешивании без вибрации, так и в сочетании с ней, изменение однородности распределения исходных фаз — плавно протекающий во времени процесс; максимум Pn (минимум Kn) при смешивании с вибрацией достигается за время, существенно меньшее, чем при смешивании без вибрации (см. рис. 48, кривая 5).
С увеличением интенсивности механических колебаний до критических значений, соответствующих границе перехода от виброожижения к виброкипению, однородность системы увеличивается, достигая максимума при J=Jc или aw2/g=ic (см. рис. 48, кривая 5).
Сравнение эффективности смешивания по величине Kn (или Pn) твердых дисперсных фаз (J=Jc, aw2/g=ic) показывает, что при вибрации Kn (Kn min = 9,85) существенно меньше Kn без вибрации (Kn = 16,0) при сколь угодно длительном смешивании (см. рис. 48, кривые 1 и 1').
При смешивании с вибрацией (J=Jc) максимальная однородность распределения дисперсных фаз в сухих дисперсных компонентах и в сплошной вязкопластичной системе практически равны. При смешивании без вибрации Kn в порошке всегда существенно меньше, чем в вязкопластичной системе (в порошке Kn = 16,0; в тесте Kn = 26,1).
Влияние возрастающей вязкости пластичного материала при виброперемешивании снижается до минимума.
В процессе замеса сахарного теста без вибрации равномерность распределения компонентов находится в прямой зависимости от его вязкости. По сравнению с сыпучей системой равномерность распределения компонентов в сахарном тесте на 10%. ниже.
Разница в однородности распределения фаз при смешивании с вибрацией и без нее в упруговязкопластичном теле еще более возрастает (на 16—18%). При этом с увеличением продолжительности перемешивания в 3 с лишним раза равномерность распределения компонентов в уже связанной массе теста практически остается на том же уровне.
Следовательно, максимально возможное взаимное перераспределение компонентов с получением равномерной структуры в объеме массы должно осуществляться до образования связанной массы. Это предопределяет скорость и качество всего процесса замеса упруговязкопластичной системы, например при получении затяжного кондитерского теста.
Te же закономерности прослеживаются и в процессе замеса слабоструктурированной системы вафельного теста. При приготовлении вафельного теста без вибрации повышение вязкости наблюдается с самого начала процесса смешивания. Это объясняется склонностью муки к комкованию и наличием неувлажненных свободных частиц муки, которые могут взаимодействовать с жидкой средой эмульсии. Взаимная подвижность компонентов в условиях возрастающей вязкости снижается, и равномерность их распределения в объеме ухудшается. Поэтому для получения качественного теста без вибрации требуется довольно продолжительное время замеса — 15—20 мин. При замесе без, вибрации наряду с локальным тестообразованием и получением крупных белково-крахмальных агрегатов имеются участки свободной дисперсионной среды (рис. 49, а).

Вибрация с параметрами J=Jc Δε→0, εi→εm, позволяет осуществить процесс гомогенизации с уменьшением η(Р) от максимального до минимального уровня в условиях предельного разрушения структуры при одновременном интенсивном массообмене дисперсных фаз за 10—15 с от начала смешивания, т. е. задолго до образования прочной системы (рис. 49, б).
Из всего изложенного следует, что вибрационный метод позволяет значительно ускорить процесс смешивания и обеспечить более высокую конечную однородность.
Наиболее существенные выводы из сравнения кинетики изменения однородности и интегральных структурно-механических свойств систем, которые подробнее будут рассмотрены ниже, состоят в следующем.
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

Кинетика изменения структурно-мехнических свойств систем при смешивании существенно отличается от кинетики изменения ее однородности. Однородность достигается на первых же стадиях структурообразования, т. е. задолго до образования сплошного вязкопластичного или упруговязкопластичного тела.
Поясним это на примере структурообразования вязкопластичного теста сахарных сортов печенья. При приготовлении этого теста без вибрации изменение напряжения сдвига и эффективной вязкости происходит следующим образом.
Вследствие неоднородного распределения градиента скоростей в объеме различные стадии структурообразования не ограничены во времени и в объеме всей системы, а размыты и накладываются друг на друга. Это означает, что уже в самом начале смешивания образуются, а затем сохраняются длительное время локальные участки с резко отличающимся соотношением твердых и жидких фаз и потому с различной плотностью и прочностью структуры: от минимально плотных, прочных и практически не разрушаемых агрегатов до предельно рыхлых и малопрочных.
Внутри прочных и плотных агрегатов зафиксирована неоднородность системы на уровне, соответствующем моменту их образования. При разрушении рыхлых и малопрочных агрегатов происходит лишь локальное перераспределение фаз в ограниченном объеме, далекое от заданного соотношения между компонентами системы.
Следствием неизбежного возникновения локальных областей, отличающихся по содержанию жидкой фазы и скорости массопереноса, является различная в отдельных локальных зонах длительность стадий, а значит, и процесса образования вязкопластичной структуры в целом. В объемах с повышенным средним значением W/T и скорости массопереноса образование сплошной двухфазной коагуляционной структуры завершится значительно раньше, чем в зонах с пониженным содержанием жидкой фазы или деформируемых с меньшей скоростью. Это означает, что весь объем системы при обычном смешивании принципиально неоднороден уже в силу различной кинетики образования двухфазной структуры.
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

Именно эту объемную неоднородность для смешивания без вибрации и отражает кривая 1, изображенная на рис. 50. Горизонтальные, периодически повторяющиеся участки (η(P) = const) характеризуют разновременность появления в локальных зонах смешиваемой системы большого числа квазиравновесных индукционных периодов структурообразования.
Следовательно, площадки стационарного уровня эффективной вязкости η, определяемой с помощью одноцилиндрового вискозиметра, встроенного в смеситель при смешивании без вибрации в отличие от вибросмешивания не соответствуют определенному состоянию макроструктуры во всем объеме, а определяются лишь локальными неоднородностями системы.
Кроме того, при смешивании без вибрации в течение всего технологического процесса уровень η(Р) оказывается выше, чем соответствующие значения при вибросмешивании (см. рис. 50).
При наложении на смешиваемую систему вибрационного поля с J<Jс по мере роста J число ступеней периодической стабилизации уровня η уменьшается, а их длительность возрастает (см. рис. 50, кривые 2, 3); вместе с тем период образования сплошной двухфазной системы сокращается (табл. 7).
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

При достижении критических значений ускорения (Cω2/g = 4,5—5) и интенсивности J=а2f3 = 550—625 см2*с-3 происходит качественное изменение процесса образования и разрушения структуры (см. рис. 50, кривая 4): промежуточные ступени полностью исчезают, наблюдаются стадии подъема (I) и спада (II) эффективных реологических характеристик, стабилизации (III) и резкого подъема ηv (IV).
Аналогичным образом по стадиям изменяется реологическое состояние структуры в процессе вибросмешивания модельной системы, образующей упруговязкопластичное тело. Следует подчеркнуть, что система подвергалась сочетанию воздействий вибрации и добавок ПАВ («Паста для сбивания»).
Таким образом, исследования изменения макрореологических свойств системы в процессе смешивания позволили установить качественные различия в кинетике образования коагуляционных структур при вибрации и без нее и выделить режим вибрации (J=Jc), при котором процесс структурообразования разделяется на отдельные стадии, характеризуемые превалированием во всем объеме смешиваемой системы в течение ограниченного промежутка времени вполне определенного вида макроструктуры. Этим параметрам процесса отвечает максимальный уровень Pn (минимум Kn), т. е. наибольшая степень гомогенизации системы.
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

Обнаруженное разделение процесса структурообразования высоконаполненных твердой фазой дисперсных систем с маловязкой дисперсионной средой на стадии при поддержании критических (J=Jc) режимов вибрации является для высококонцентрированных дисперсных систем общей закономерностью. Это подтверждается данными, приведенными на рис. 51—55, которые выражают зависимость изменения во времени эффективной вязкости от содержания жидкой фазы и скорости конвективного массопереноса при смешивании вязкопластичного теста.
Эти данные показывают, что с изменением содержания жидкой фазы и скорости массопереноса длительность процесса образования сплошной двухфазной (Т—Ж) системы существенно меняется, однако разделение процесса на стадии сохраняется.
Увеличение содержания жидкой фазы способствует, по-видимому, снижению когезии внутри агрегатов, поэтому при большей влажности прочность возникающих мгновенных контактов между агрегатами увеличивается и вязкость системы возрастает (рис. 56). Очевидно, уровень вязкости может быть использован в качестве практического показателя для определения влажности системы экспресс-методом с помощью ротационного одноцилиндрового вискозиметра.
Наиболее полно влияние изменения влажности проявляется на третьей стадии приготовления сахарного теста. Под воздействием вибрационных колебаний образовавшиеся гранулы упруго отталкиваются как друг от друга, так и от рабочих поверхностей машины, что благоприятно сказывается на протекании коллоидных процессов.
Анализ зависимости продолжительности замеса от изменения влажности при разной скорости месильных органов (рис. 57) показывает, что влияние влажности теста с уменьшением скорости месильных органов возрастает. Особенно сильно сказывается изменение влажности в диапазоне 14—16,6%, когда даже незначительное повышение влагосодержания вызывает весьма сильное (в 2—3 раза) ускорение набухания коллоидов муки за счет интенсификации адсорбционного и осмотического взаимодействия жидкой фазы эмульсии с составными частями муки.
При увеличении влажности системы (свыше 16,6%) заметного ускорения процесса набухания коллоидов муки не наблюдается, что, по-видимому, связано с ограничением количества адсорбционно-связанной воды в тесте за счет дегидратирующих свойств сахара.
Значительное ускорение образования структуры вязкопластичного теста (в 15—30 раз) с увеличением частоты вращения месильных органов (см. рис. 53, 54, 55) объясняется резким возрастанием скорости массопередачи между частицами, сочетанием сдвиговой деформации и вибрационных воздействий и интенсификацией обмена количества движения в результате соударения большего числа частиц друг с другом и с вибрирующей поверхностью месильной машины.
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

Наиболее заметное ускорение процесса образования сахарного теста происходит с увеличением скорости лопастных валов до 0,52 м/с (рис. 58). Незначительное сокращение продолжительности процесса с увеличением скорости месильных органов свыше 0,52 м/с может быть объяснено весьма кратковременным замесом (1—1,5 мин). При увеличении скорости месильных органов свыше 1,15 м/с происходит частичный выброс материала из камеры и повышается температура массы.
Благодаря возрастанию взаимного перемещения частиц и достижению более высокой однородности при повышении скорости лопастных валов набухаемость печенья улучшается и плотность снижается. Органолептические показатели состояния поверхности печенья также улучшаются (рис. 59).
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

Увеличение температуры системы за счет подвода теплоты от внешнего источника или за счет превращения части механической энергии смешивания в тепловую уменьшает длительность отдельных стадий и процесса в целом вследствие уменьшения вязкости дисперсионной среды и роста скорости диффузионных процессов. Ho и в этом случае разделение процесса структурообразования на отдельные стадии, по существу, не меняется. Это позволило по данным выборочной совокупности экспериментальных результатов провести математический анализ и составить уравнения регрессии, выражающие зависимость длительности процесса от скорости массопереноса, содержания дисперсионной среды, уровня эффективной вязкости.
На основе теории размерностей по результатам обработки экспериментальных данных получена формула, связывающая длительность образования сплошной двухфазной системы (Т— Ж) с параметрами вибрации, эффективной вязкостью (а значит, и с величиной W) и скоростью массопереноса при вращении лопастей смесителя
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

В данном случае градиент линейной скорости характеризует степень неравномерности распределения скоростей или степень неравномерности конвективной диффузии в плоскости, перпендикулярной оси месильной камеры.
Формула отражает физическую сущность процесса смешивания теста в условиях вибрации, так как из приведенного соотношения следует, что продолжительность процесса образования однородной двухфазной коагуляционной структуры возрастает с ростом эффективной вязкости системы и уменьшается с увеличением интенсивности вибрации и скорости массопереноса компонентов системы.
Вместе с тем чем больше градиент скоростей от периферии к центру смешиваемого объема, тем больше продолжительность структурообразования. В самом деле, увеличение времени образования двухфазной коагуляционной структуры по мере роста эффективной вязкости системы объясняется тем, что скорость конвективной диффузии, будучи обратно пропорциональной вязкости системы, уменьшается с увеличением вязкости. Возрастание же интенсивности вибрации, как и скорости вращения лопастей смесителя, наоборот, повышает коэффициент диффузии и тем самым скорость процесса структурообразования.
Важным фактором, определяющим сокращение времени процесса структурообразования в динамических условиях, является также устранение перепада в скоростях конвективного массопереноса как по объему дисперсной системы, так и в плоскости, перпендикулярной оси месильных органов. В противном случае с увеличением диаметра месильных органов свыше 200 мм значительно возрастает перепад скоростей, резко сокращаются значения удельных поверхностей, передающих вибрацию, ухудшаются условия для равномерного распределения компонентов и увеличивается длительность процесса.
При получении вязкопластичного теста формула (4) упрощается с учетом того, что в диапазоне изменения эффективной вязкости в пределах 0<η<220 Па*с произведение Кη = 100, при этом значения εi/v меняются в следующих пределах:
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

Для объяснения механизма явлений, связанных с разделением процесса структурообразования при вибрации на стадии, и выявления условий достижения максимальной однородности наряду с исследованием кинетики изменения интегральных структурно-механических характеристик была изучена кинетика изменения свойств отдельных элементов структуры, которая образуется при критических режимах вибрации: плотности агрегатов, их прочности (предельного напряжения сдвига Pm), изменения средней удельной поверхности агрегатов S и средней силы сцепления в контакте между частицами твердой фазы Fc. Результаты этих исследований после их статистической обработки приведены в табл. 8.
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

Данные табл. 8 показывают, что при вибрации средняя плотность ρ агрегатов — гранул и их прочность Pm непрерывно увеличиваются во времени от минимальных значений в начале смешивания до максимальных к моменту перехода системы в результате слияния гранул в сплошное тело (на IV стадии): р возрастает от 1,5*10в3 до 1,9*10в3 кг/м3, прочность гранул — от 0,2*10в5 до 7,0*10в5 Па, т. е. в 35 раз. Поверхность системы при этом уменьшается так же резко от 400,0 м2/кг в начале процесса до 7,5 м2/кг на завершающих стадиях смешивания. При этом скорость уменьшения поверхности максимальна в начале процесса.
Величина Pm в агрегатах может быть теоретически определена при фиксированном значении плотности в соответствии с теорией прочности пористых структур.
Совокупность интегральных и дифференциальных параметров процесса структурообразования при смешивании позволяет более глубоко охарактеризовать состояние структуры на каждой из стадий этого процесса.
На подготовительной стадии происходит разрушение двухфазных структур (Т—Г) и смешивание твердых фаз. При этом образуются агрегаты из частиц твердой фазы с силой сцепления в контактах, характеризуемой Fс = 10в-9—10в-11 H. Прочность контактов может изменяться вследствие проявления лиофобнолиофильной мозаичности поверхности частиц или эффекта адагуляции. Образующиеся по лиофобным участкам частиц мелкие агрегаты в этом случае приобретают более лиофильную поверхность, тем самым уменьшая прочность структурных связей между ними.
Вибрация с интенсивностью, равной или большей критической, в отличие от обычного смешивания переводит систему в состояние виброкипения с наиболее эффективным разрушением агрегатов и разрывом связей между частицами.
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

Различие в состояниях сыпучей системы при вибрации и без нее подтверждается различием в равновесных уровнях напряжения сдвига (рис. 60).
С момента контакта твердой дисперсной и жидкой фаз процессу образования элементов — агрегатов из частиц твердой фазы, и дисперсионной среды: (стадия I) сопутствует и процесс их разрушения. Однако возрастание P на этой стадии фиксирует превалирование процесса образования неоднородной грубодисперсной структуры над ее разрушением. Образование этой грубодисперсной структуры из отдельных скоплений частиц твердой фазы, связанных цилиндрическими менисками жидкой фазы между этими скоплениями, продолжается до тех пор, пока в объеме смешиваемой системы имеются «свободные» частицы твердой фазы и некоторый избыток жидкой дисперсионной среды. Увеличение η(P), P на этой стадии характеризует превалирование скорости образования такой структуры (с плотностью большей, чем на подготовительной стадии, и поэтому уже более прочной структурой) над скоростью ее разрушения (см. рис. 50, кривая 4; рис. 61, а).
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

После достижения максимума η(P), P превалирующим становится процесс разрушения этой структуры на отдельные рыхлые агрегаты (рис. 61, б, в, стадия II). Элемент структуры рыхлого агрегата — смачивающие капиллярные мениски между отдельными, группами частиц твердой фазы, связываются капиллярным давлением Pσ, максимальное значение которого соответствует полному смачиванию
Pσ = 4σ/ δ1,

где σ — поверхностное натяжение на границе жидкость — пар; δ1 — средний диаметр отдельных агрегатов.
На второй стадии значительно возрастает взаимная подвижность частичек и резко увеличивается их удельная поверхность. Создаются благоприятные условия для равномерного распределения поверхностей контактов по всему объему и сохранения общего соотношения компонентов в каждом элементе объема. При разрушении агрегатов влага уже не удерживается в капиллярах и может участвовать в адсорбционном и осмотическом взаимодействии с частицами дисперсной фазы. Все это обеспечивает под влиянием интенсивных вибрационных воздействий (достаточных для разрыва контактов между частицами, которые в начальный момент еще весьма непрочные) устранение макронеоднородностей, соприкосновение и контактирование максимального количества частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой и понижение, вязкости системы из-за нарушения первоначальных связей и уменьшения прочности системы.
Предыдущие стадии способствовали образованию на III стадии процесса структурообразования водных оболочек вокруг предельно возможного количества дисперсной фазы, что приводит к длительной стабилизации системы. При этом затрудняется коагуляционное сцепление частиц и образование более крупных агрегатов. Постоянство значения η(P) и P на этой стадии говорит о том, что никаких существенных изменений в макроструктуре смешиваемой системы в целом не происходит (см. рис. 50, кривая 4; рис. 51—55). Внутри же агрегатов при этом продолжаются активные процессы объемной и двухмерной миграции жидкой фазы в наиболее тонкие поры к участкам истинных контактов между частицами.
На III стадии процесса осуществляется двухмерная миграция. При этом возникает двухмерное давление P0S по границам адсорбционных слоев дисперсионной среды, которое достаточно, чтобы раздвинуть истинные атомные контакты между частицами твердой фазы.
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

При этом снижение истинной прочности контакта (адсорбционное понижение прочности) осуществляется скачкообразно вследствие резкого увеличения зазора между частицами.
При приготовлении мучного теста на III стадии за счет образования на предыдущих стадиях водных оболочек вокруг предельно возможного количества частиц муки значительно облегчается и ускоряется набухание белков и крахмала муки в результате протекающих практически одновременно процессов адсорбционного и осмотического взаимодействия водной среды с частичками муки. Известно, что основная масса жидкости связывается белками за счет осмотического взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой эмульсии, которое определяется только их частичной концентрацией.
При виброзамесе, когда разрушение агрегатов и диспергирование компонентов способствуют значительному увеличению количества осмотически поглощаемой влаги, процесс тестообразования резко ускоряется.
Под влиянием вибрационных колебаний и стабилизирующего действия водных оболочек связи между частицами настолько нарушаются, что они, соударяясь, упруго отталкиваются друг от друга и отбрасываются от рабочих органов и стенок корпуса вибросмесителя. В результате этого гидрофильность муки полностью проявляется за более короткий промежуток времени (в 2—3 раза быстрее, чем при замесе без вибрации), что особенно важно при ограниченном количестве влаги.
Таким образом, на III стадии стабилизации η(Р) и P превалирует образование и рост плотных сферической формы гранул (см. рис. 61, г, д).
Между тем при резком снижении истинной прочности контактов прочность структуры агрегата в целом возрастает, так как вибрация резко увеличивает плотность упаковки частиц в агрегате (рост φ), и, таким образом, уменьшение истинной прочности контакта с образованием прослойки жидкой фазы между частицами с избытком компенсируется увеличением их числа в единице объема вследствие увеличения плотности структуры р (см. табл. 9).
В дальнейшем в уже сформировавшейся коагуляционной структуре под действием вибрации, способствующей сближению частиц в уплотняющемся агрегате, средняя сила сцепления в коагуляционном контакте должна возрастать.
Это связано с двумя обстоятельствами: преимущественной фиксацией частиц на расстоянии ближней коагуляции (Нmin=10в-9 м) с переходом под действием периодических механических воздействий в термодинамически более устойчивое положение по сравнению С фиксацией на расстоянии дальней коагуляции (Нmax=10в-7 м); с увеличением вероятности образования коагуляционных контактов по лиофобным участкам (коагуляционным центрам) поверхности частиц.
Образование таких коагуляционных контактов во всем объеме гранул, полное смачивание всей внутренней поверхности частиц в агрегатах — гранулах является наиболее характерной особенностью III стадии, которую в связи с этим можно назвать стадией формирования сплошной тиксотропной коагуляционной структуры внутри агрегатов.
Следует отметить, что кривая 4 (см. рис. 50) при J=Jc характеризует состояние процесса, когда полного отрыва гранул от вибрирующей поверхности еще не происходит. При этом гранулы касаются стенок камеры и друг друга различными точками в течение всего периода движения. Можно предположить, что в этой области интенсивности вибрирования, соответствующей переходу от виброожижения к виброкипению, замешиваемой массе сообщается наибольшая доля от общего количества энергии, создаваемой источником колебаний.
Последняя IV стадия завершается слиянием агрегатов из частиц в сплошную вязкопластичную систему. Бывшие агрегаты разделяются тонкой пленкой, близкой по толщине к мономолекулярной, и фиксируются на расстояниях, не превышающих расстояния дальней коагуляции. Процессу слияния этих агрегатов способствуют их соударения при вибрации, а также сдвиговые деформации системы в целом при вращении лопастей смесителя (см. рис. 61, е).
Образование сплошной вязкопластичной (или упруговязкопластичной) системы на этой стадии превалирует над процессами ее разрушения, и эффективные напряжения сдвига и вязкость при этом возрастают в 70—80 раз (см. рис. 61, стадия IV).
Таким образом, возрастание η(Р), P во времени отражает непрерывное увеличение площади коагуляционных контактов между элементами структуры.
Необходимое условие слияния агрегатов с образованием сплошной двухфазной коагуляционной структуры: равенство или превышение сил адгезионного взаимодействия между агрегатами над силами когезии внутри них (A≥K). Если напряжение при соударении агрегатов за счет вибрации меньше предельного напряжения сдвига структурной сетки внутри них (P15, J≥Jc (см. рис. 50, кривая 5).
Уменьшение содержания дисперсионной среды, рост плотности агрегатов и соответственно рост Pm и К также препятствуют образованию сплошной двухфазной системы.
Процесс завершится образованием плотных я прочных гранул. Для перехода к сплошному упруговязкопластичному телу в этом случае необходимо применять такие режимы механического воздействия на структуру (параметры вибрации, давления), которые способны разрушить коагуляционную структуру внутри агрегата. Этого, в частности, можно достичь при последующем виброуплотнении, обеспечивающем большую концентрацию механической энергии, передаваемой системе, чем при «свободном» смешивании, или в процессе комплексного воздействия на систему, например, в смесителях шнекового типа, экструдерах, т. е. в аппаратах, обеспечивающих сжатие систему (Р1≥Рm).
Существование каждого из рассмотренных типов макроструктуры одновременно во всем объеме смешиваемой системы — результат равновероятного во всех элементах объема соотношения между разрушением и образованием структурных связей (контактов). Уровень разрушения структуры в дисперсных системах с твердыми фазами (δ<δс), определяемый эффективной вязкостью η(P), есть функция градиента скорости е. Следовательно, однородность разрушения структуры во всем объеме системы в каждый фиксированный момент времени определяется условием εi=const во всех элементах объема (Δε→0) и соответственно равенством плотностей энергии, подводимой к различным элементам объема.
Из этого следует, что во всем объеме системы одновременно возможно достижение εi=εmax, соответствующее η(P)=ηmin, т. е. предельному разрушению структуры. Предельное разрушение связей в структуре — необходимое условие для перераспределения дисперсных фаз и достижения наибольшей гомогенности (Kn min).
Наименьшая прочность структуры Pm и сила сцепления в контакте Fc между частицами твердой фазы соответствуют началу процесса смешивания (см. табл. 8). Вследствие этого предельное разрушение структуры одновременно во всем объеме как условие для достижения наибольшей гомогенности возможно с наименьшими затратами энергии и наиболее целесообразно именно на начальных стадиях вибрационного смешивания до образования прочных и трудноразрушаемых элементов структуры.
Вибрация с параметрами J=Jc и Δε→0 (εi=εm) позволяет осуществить процесс гомогенизации с уменьшением Ti(P) от максимального до минимального уровня в условиях предельного разрушения структуры при одновременном интенсивном массообмене дисперсных фаз за 10—45 с от начала смешивания, т. е. задолго до образования прочной двухфазной вязкопластичной или упруговязкопластичной системы (см. рис. 47, 48, 49).
Вместе с тем достижение уже в самом начале процесса смешивания минимального уровня Kn и сохранение в последующем условия Δε→0 предопределяет одновременность перехода во всем объеме от одного вида структуры к другому, т. е. выделение и локализацию во времени стадий структурообразования, начиная с подготовительной и кончая переходом в сплошную двухфазную систему.
Степень неравномерности распределения частиц твердых фаз различных видов в высоконаполненных системах, зафиксированная на начальной стадии, при длительном последующем смешивании передается «по наследству» в следующую стадию, в которой достижение однородности распределения фаз еще более затруднено возникновением плотных и потому прочных структурных элементов (см. рис. 47—50).
Из факта непрерывного роста прочности элементов структуры при переходе от одной стадии смешивания к другой (см. табл. 8) следует, что для ликвидации того вида и той степени неоднородности структуры, которая была зафиксирована в конце предыдущей стадии, необходимо разрушить более прочные элементы структуры, которые образовались на этой последующей стадии.
Следовательно, устранение неоднородности структуры по мере перехода к следующей стадии требует соответственного увеличения ε и подводимой энергии до неооходимого для ее разрушения уровня.
Условия оптимального смешивания поэтому состоят в том, чтобы на каждом этапе предельно устранить тот вид неоднородности, возникновение которого является следствием процесса образования структурных связей на этой стадии.
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

При вибросмешивании (J=Jc) уровень удельной мощности Nv≤N0 остается практически постоянным в течение всего периода смешивания твердых и жидких фаз (на стадиях I—III) вплоть до начала IV стадии, т. е. образования двухфазной системы (рис. 62).
Раннее и непрерывное образование локальных областей плотных сплошных двухфазных систем в виде слоев различной толщины и наложение стадий друг на друга приводит к непрерывному росту удельной мощности N, потребляемой при обычном смешивании.
При формировании структур в дисперсных системах под воздействием вибрации затрачивается энергия, которая расходуется на перемещение обрабатываемого материала в вибрационном поле, на преодоление сил контактного взаимодействия между отдельными частицами твердого материала и сил трения между частицами и стенками емкости вибрационного устройства. Работа, затрачиваемая на преодоление сил контактного взаимодействия между отдельными частицами твердой фазы, вместе с тем способствует образованию новых контактов, т. е. изменению реологических свойств системы. Величина этой работы зависит как от прочности элементарных контактов, так и от числа их в единице массы системы.
Следует отметить, что при исследовании процесса структурообразования вязкопластичного теста качество готовых изделий, выпеченных из этого теста, проба которого взята в момент окончания III стадии и после завершения всего процесса, почти не различается. Поэтому начало резкого перехода кривой вязкости из горизонтального участка в вертикальный может соответствовать окончанию процесса смешивания.
Проведенные исследования со всей очевидностью еще раз доказали необходимость осуществления процесса структурообразования пищевых дисперсных систем в условиях вибрации, особенно в сочетании с ПАВ. За счет ускорения адсорбции жидкой фазы на поверхности частиц, а также участия в диффузионных процессах «свободной» (капиллярной) жидкой фазы в результате увеличения взаимной подвижности фаз, разрушения агрегатов из первичных частиц твердой фазы и комплексов с участием жидкой фазы общая продолжительность образования двухфазной пищевой дисперсной системы (Т—Ж) сократилась для вязкопластичной — в 15—20 раз; упруговязкопластичной — в 10—15 раз; слабоструктурированной системы — до 100 раз при одновременном повышении качества готовых изделий (см. рис. 49, 59, а также рис. 63).
Кинетика коагуляционного структурообразования в динамических условиях

С другой стороны, сокращение продолжительности процесса структурообразования в условиях вибрации и снижение мощности привода на 30—35% обеспечивают сокращение общего расхода электроэнергии в 3—4 раза.
Следует обратить внимание также на одну интересную закономерность, которая заключается в том, что по мере приближения к оптимальным режимам получения теста все убедительнее выявляется соответствие между образованием и разрушением структуры, длительностью стадий и перепадом вязкости.
С возрастанием интенсивности вибрирования эффективная вязкость закономерно снижается. Следовательно, возникает возможность оценки длительности стадий и всего процесса структурообразования по характеру изменения эффективной вязкости с использованием величины вязкости для определения оптимальных режимов вибрирования экспресс-методом.
При этом реологические методы оценки дисперсной структуры в процессе приготовления более приемлемы, чем методы, характеризующие состояние исследуемых систем по изменению мощности привода месильных органов (см. рис. 62).