Технологические аспекты изменения свойств пищевых дисперсных систем
Общие положения. Ранее показано, что разнообразные виды пищевого сырья представляют собой преимущественно сыпучие грубодисперсные системы. Готовые продукты или продукты, подготовленные к дальнейшей переработке представляют собой порошкообразные тонкодисперсные системы. Процесс перехода грубодисперсных систем в тонкодисперсные, как правило, происходит под действием механических нагружений и сопровождается изменением их питательной ценности, физических, химических, биохимических, потребительских и др. свойств. Закономерности изменения этих свойств существенно определяются как структурно-механическими, реологическими свойствами дисперсных систем, так и интенсивностью, способом и условиями их механического нагружения.
Высокие затраты электроэнергии на процессы измельчения и крайне низкие значения коэффициентов полезного действия измельчителей убедительно свидетельствуют о том, что создаваемые рабочими органами условия разрушения лишь в первом приближении соответствует особенностям реологических свойств измельчаемых продуктов. Такое положение указывает на актуальность развития исследований реологических свойств продуктов для интенсификации процесса измельчения.
Приоритет в изучении дисперсных систем отведен наиболее перспективным — сыпучим и порошкообразным, а в изучении их свойств — наиболее фундаментальным. К числу таких относим совокупность физических, структурно-механических и реологических свойств. Принятая методология позволит определить для исследований пищевые дисперсные системы с наиболее обобщенными характеристиками, а результаты исследований — распространить на определенный класс пищевого сырья.
Обобщенная характеристика свойств сыпучих пищевых дисперсных систем. Анализ структурно-механических и физических свойств многочисленных сыпучих пищевых дисперсных систем позволил выделить ряд их наиболее существенных характеристик, в той или иной мере оказывающих влияние на процесс измельчения.
Многофазность и гетерогенность присущи как многочисленным видам пищевого сырья, так и промежуточным продуктам его переработки и готовой продукции. В пищевой промышленности процесс измельчения осуществляется в жидкой или газообразной среде. Перспектива в развитии и совершенствовании процесса измельчения, как было показано ранее, принадлежит сухим методам измельчения. Поэтому характерной системой процесса измельчения следует считать двухфазную систему типа Т—Г (твердое — газ).
Гетерогенность пищевого сырья оказывает существенное влияние на организацию и ведение процесса измельчения. При совместном использовании анатомических частей пищевого сырья задача процесса измельчения сводится к повышению их дисперсности до заданного значения. При раздельном — к отделению периферических частей и тонкому измельчению эндосперма до необходимой дисперсности. В первом случае реализуется технология простого измельчения, а во втором — селективного или избирательного измельчения. Последнее характеризуется многоэтапным измельчением, сопровождающимся повышением гомогенности продуктов измельчения после обогащения. Измельчение обогащенных, гомогенных продуктов, с целью повышения их дисперсности осуществляется уже по технологии простого измельчения. Таким образом, гетерогенность пищевого сырья обуславливает при его переработке как избирательное, так и простое измельчение. Различие этих видов измельчения заключается в особенности решаемых ими задач. Задача селективного (избирательного) измельчения состоит в максимальном разрыве связей между анатомическими частями культуры по границам их срастания при минимальном разрушении всех частей, одной или нескольких. При простом измельчении повышение дисперсности всех анатомических частей пищевого сырья является единственной технологической задачей.
Дисперсность исходного сырья, промежуточных продуктов размола и готовой продукции в пищевой промышленности принято оценивать крупностью частиц, гранулометрическим составом, удельной поверхностью и концентрированностью.
Крупность частиц исходного зернистого пищевого сырья исчисляется преимущественно несколькими !миллиметрами, а готовой продукции — несколькими десятками микрометров. Соответственно удельная поверхность измельченных продуктов при этом увеличивается на один-два и более порядков.
Гранулометрический состав подготовленного к переработке пищевого сырья и готовой продукции характеризуется наибольшей выравненностью по крупности, в то время как промежуточные продукты переработки, особенно продукты размола, отличаются значительным разбросом по крупности от нескольких миллиметров до нескольких микрометров, т. е. являются полидисперсными. Таким образом, в процессе измельчения исходные пищевые продукты, как дисперсные системы Т—Г, преобразуются из грубодисперсных в высокодисперсные. При этом процессы, происходящие в системе под действием внешних разрушающих нагрузок качественно меняются и оказывают существенное влияние на условия проведения технологических процессов, в частности: сортирования, обогащения и измельчения. Поэтому определение основных сил взаимодействия между частицами дисперсной среды в каждом конкретном случае является первостепенной научной задачей в разработке технологических процессов измельчения.
Концентрированностъ дисперсных систем — характерная черта большинства современных технологических процессов пищевых производств и в особенности процессов измельчения, обогащения в псевдоожженном слое и разделения по крупности на просеивающих поверхностях. Объемная концентрация твердой фазы в рабочих объемах машин, реализующих эти процессы, обычно составляет несколько десятков процентов. Особенность высоко концентрированных дисперсных систем состоит в весьма высокой объемной концентрации поверхности Гиббса. Это способствует образованию статистически и кинетически устойчивых структур, которые препятствуют реализации процессов измельчения, обогащения и разделения по крупности в слое. Снижение концентрации приводит к снижению производительности, а в ряде случаев — и невозможности реализации процессов, таких как тонкое измельчение и обогащение в слое и др. Поэтому концентрация твердой фазы в рабочем объеме, равно как и концентрированность полидисперсной системы, относятся к параметрам, определяющим процесс и подлежащим оптимизации.
Плотность. Наиболее распространенный показатель при технологических расчетах измельчителей и оценке качества измельченных продуктов. Ее значение для механической смеси, измельченной гетерогенной системы, подчиняется закону аддитивности и в данной работе будет рассчитываться по формуле:
где ρ и ρi — плотность смеси и i-гo компонента соответственно, кг/м3;
n — число компонентов смеси;
ci — концентрация i-гo компонента в смеси, кг/кг.
Прочность. Приоритет в изучении прочностных свойств зерна пшеницы принадлежит проф. П. А. Афанасьеву. Он впервые определил прочность зерна при сжатии и вывел формулу, определяющую работу разрушения зерна при одноосном нагружении. Этим было положено начало оценке прочностных свойств зерна посредством работы его разрушения. В последующих исследованиях Н. В. Врасского, Б. В. Дедрика, К. А. Зворыкина, А. Р. Демидова, И. В. Крагельского, И. М. Махова, Р. О. Пенса, П. П. Тарутина, С. А. Чистова и др. установлены соотношения и значения предельных усилий сжатия, сдвига, среза для зерна пшеницы различных консистенций, сорта, типа, формы, размеров и влажности. Эти результаты хорошо согласуются с результатами исследований В, Я. Гиршсона, который впервые показал, что прочностные свойства эндосперма и оболочек различны. Причем разрывающие усилия у оболочек твердой пшеницы превосходят соответствующие мягкой. Эта закономерность соблюдается для пшеницы разных стекловидностей и типов.
Анализируя результаты выполненных исследований, Я. Н. Куприц указывает на их недостатки и формулирует ряд направлений, которые и в настоящее время не утеряли своей актуальности, а именно: процесс необходимо рассматривать не только в статике и кинетике, но и динамике; изучать следует не одно зерно, а зерновую массу в целом; использовать системный подход, учитывающий взаимосвязь процесса измельчения с предшествующими и последующими операциями; окончательные выводы нужно формулировать только после производственной проверки и др. Однако основным достижением Я. Н. Куприца следует считать создание теоретических предпосылок дробления зерна.
Анизотропность анатомических частей зерна, гетерогенность химического состава эндосперма явились основанием для изучения их микротвердости. Фундаментальные исследования микротвердости зерна были проведены С. Д. Хусидом и неоднократно подтверждены в работах К, К. Барлоу, М. С. Баттроуз, М. Вески, З. Д. Гончаровой, Н. С. Горшковой, И. С. Гузева, А. Б. Кардвелла, Р. Катца, Н. Д. Коллинза, Б. В. Сенаторского, А. Е. Хостеттера, П. Н. Шибаева и др. В результате исследований установлено следующее: микротвердость всех сортов и типов пшеницы с увеличением влажности снижается; между стекловидностью и микротвердостью существует достаточно плотная корреляционная связь; микротвердость промежуточного белка (32,60...34,36 кг/мм2) незначительно превышает соответствующую крахмала (29,79...28,54 кг/мм2); незначительные различия в микротвердостях белка и крахмала наблюдаются для большинства твердозерных и мягкозерных сортов пшеницы.
Результаты рассмотренных работ в большей степени носят научный характер, поскольку получены в условиях, отличных от физической сущности процессов деформирования и разрушения зерна в основном измельчителе мукомольного производства — вальцовом станке.
Основы современного процесса измельчения зерна в вальцовом станке заложены в фундаментальной работе С. Д. Хусида. В ней основным критерием оценки прочностных свойств при измельчении зерна принят показатель прочности, представляющий собой расход энергии на образование единицы поверхности. Используя этот показатель, С. Д. Хусид установил, что прочность зерна зависит от влажности, стекловидности, сорта и района произрастания. Причем зерно пшеницы одинаковой влажности и одного сорта в широком диапазоне стекловидности (15,0-75,0 %) и разных районов произрастания имеет одинаковый показатель прочности. Диапазон определенных значений этого показателя для наиболее известных сортов зерна с разными показателями качества и районами произрастания находится в пределах 1,1...2,7 кДж/м2.
Предложенный в 1958 г. показатель прочности С. Д. Хусида и до настоящего времени не утратил своего значения. Он подтвержден современными энергетическими теориями измельчения, учитывает все действующие на процесс измельчения факторы, объективно Оценивает процесс, легко определяется и широко используется для оценки энергоемкости процесса измельчения в практике.
Классификация дисперсных систем и их структур. В соответствии с классификацией дисперсных систем А. В. Горбатова, Н. Б. Урьева и М. А. Талейсника сыпучие и порошкообразные дисперсные системы относятся к системам «Пыль, дым». Дисперсионной средой этих систем является газ, а дисперсионной фазой — твердое вещество. Последнее гомогенно и отделено от подобных ему физическими поверхностями раздела.
По классификации акад. П. А. Ребиндера, структуры рассматриваемых дисперсных систем относятся к конденсационно-кристаллизационным. Эти структуры обладают такими реологическими свойствами, как прочность, упругость, вязкость, хрупкость, твердость, необратимый характер разрушения, наличие внутренних напряжений и др. Согласно классификации реальных тел А. В. Горбатова, такие структуры могут быть отнесены к определенному классу реальных тел в зависимости от вида реограммы.
Наиболее широким классом среди сыпучих и порошкообразных пищевых продуктов, обладающих указанным набором реологических свойств, являются зернобобовые культуры и продукты их переработки. Анализ основных реологических свойств зернобобовых культур, по данным публикаций, показывает, что зерно пшеницы и продукты его переработки обладают обобщенными значениями реологических свойств. Следовательно, результаты исследований по интенсификации процесса измельчения зернопродуктов пшеницы могут быть использованы для широкого класса пищевого сырья — зернобобовых культур.
А. Д. Чмырь и А. Г. Гуськов установили, что зерно пшеницы при влажности менее 11, 11...13 и более 17 % ведет себя соответственно как упруго-эластичное, упруго-эластичио-пластичное и эластично-пластичное тело. Тогда, с учетом характера зависимости деформации от напряжения (вида реограммы), зерно пшеницы, по классификации реальных тел А. В. Горбатого, следует отнести к реологическим телам. Для них характерны как линейные, степенные, так и более сложные зависимости между деформациями и скоростями деформаций. В напряженном состоянии реологические тела проявляют три взаимозависимые группы свойств: сдвиговые, компрессионные и поверхностные. Они необходимы для расчета основных конструктивных, технологических и кинематических параметров измельчительных машин, оценки качественно-количественных показателей продуктов измельчения, правильного выбора и применения моделей и математического описания напряженного состояния и деформаций реальных тел в процессе измельчения.
Классификация пищевых продуктов по структурно-механическим свойствам. В процессе измельчения пищевые продукты подвергаются интенсивным механическим воздействиям, при которых происходит: частичное или предельно-заданное разрушение структуры; частичное или полное разделение по фазам в гетерогенных системах; понижение крупности частиц и повышение их удельной поверхности на несколько порядков; значительный рост поверхностной энергии Гиббса и прочности частиц за счет снижения дефектов структуры и трещиноватости; существенные изменения структурно-механических свойств продуктов. При этом они зависят от скорости и условий нагружения, периода релаксации, геометрических размеров и формы нагружаемого тела, параметров окружающей среды, а также других факторов, характеризующих процесс измельчения. Следовательно, структурно-механические свойства, как основные свойства реологических тел, в процессе измельчения существенно изменяются и не могут рассматриваться как константы измельчаемого продукта. Поэтому наиболее приемлемой классификацией реологических тел по структурно-механическим свойствам следует считать классификацию по виду приложения усилий к продукту. Согласно этой классификации реологические свойства подразделяются на три группы: сдвиговые, компрессионные, поверхностные.
Таким образом, согласно различным классификациям, основными свойствами реологических тел являются сдвиговые, компрессионные, поверхностные.
Уравнения напряжений и деформаций реологических тел. Реологические свойства зерна пшеницы. Разрушение зерна и зернопродуктов в современной технологии производства муки осуществляется под действием нормальных и сдвиговых напряжений. Тогда деформационное поведение зерна, как упруговязкого тела, может быть описано линейными или, при их недостаточности, нелинейными эмпирическими уравнениями напряжений и деформаций.
Классической линейной моделью вязко-упругого тела считается модель Д. Максвелла:
где dε/dt — градиент скорости деформации;
G — равновесный модуль сдвига;
P — напряжение сдвига;
η — вязкость.
При е = const и интегрировании от 0 до t уравнение 1.1 преобразуется в экспоненциальный закон релаксации напряжений:
где е — основание натуральных логарифмов;
P0 — начальное напряжение сдвига при t = 0;
T — период релаксации.
Д. Максвеллом впервые было замечено явление релаксации и введено понятие о периоде релаксации как отношения вязкости к модулю упругости на сдвиг. Основу теории, получившей в дальнейшем название «релаксационной теории упругости», составляет положение о релаксации напряжений во времени со скоростью, пропорциональной созданному напряжению. Известной линейной моделью упруго-вязкого тела является модель Кельвина-Фойгта:
При P=0 и интегрировании от εmax до ε и от 0 до t получается экспоненциальная функция релаксации деформации:
Значительным вкладом в теорию релаксации являются исследования академика Н. С. Курнакова, который установил, что скорость релаксации зависит от природы материала, его температуры, влажности и способа подготовки к нагружению. В последующих исследованиях ряда авторов было замечено, что в реальных твердых телах напряжения релаксируют не до нуля. Этот феномен релаксации описывается законом релаксации С. Шведова:
где σ0, σt и σк - соответственно начальное напряжение, напряжение в момент t и конечное, не релаксируемое.
Приведенные теории релаксации рассматривают условия однократного приложения усилий, что в реальных технологических процессах измельчения относятся к частному случаю. Этот пробел был восполнен в исследованиях Л. Больцмана. Обобщая результаты собственных исследований, он сделал ряд существенных выводов: при повторной деформации первичная деформация достигается при меньшем напряжении; уменьшение нагружений повторной деформации пропорционально величине напряжений первой деформации и ее продолжительности; напряжение повторной деформации снижается пропорционально возрастанию промежутка времени между деформациями. Эти выводы имеют важное теоретическое и практическое значение для совершенствования известных, разработки и создания новых, менее энергоемких способов измельчения.
Нелинейные уравнения напряжений и деформаций описывают более сложные в реологическом отношении тела и в случае недостаточной точности аппроксимации кривой течения. Целесообразность рассмотрения таких моделей и описаний будет установлена после интерпретации результатов фундаментальных исследований И. А. Наумова по изучению релаксационных свойств зерновых культур: пшеницы, ржи, кукурузы и др. Им установлены такие значимые физические величины, как скорость релаксации, время релаксации и др. в зависимости от температуры, влажности и консистенции эндосперма.
Математическая обработка кривых релаксации позволила И.А. Наумову получить следующую зависимость:
где а, b, с — эмпирические коэффициенты, зависящие от стекловидности, влажности и температуры зерна.
Релаксационный закон И. А. Наумова хорошо согласуется с ранее рассмотренными законами и получен при исследовании кривых релаксации реального зерна. Эмпирические коэффициенты установлены для мучнистого и стекловидного зерна в диапазоне влажности, характерной для измельчения. Поэтому дальнейшее рассмотрение более сложных реологических моделей не целесообразно.
Полученный И. А. Наумовым экспоненциальный закон релаксации имеет большое практическое значение для снижения энергозатрат на измельчение посредством согласования периодичности нагружения материала с его реологическими свойствами. В научных основах процесса измельчения постановка научной и практической задачи подобного характера неизвестна.
Кинетика развития и релаксации деформаций в зерне пшеницы. Кривая кинетики деформации зерна пшеницы получена И. А. Наумовым при одноосном сжатии зерна пшеницы между рифлей и опорной площадкой при их встречном движении под действием постоянной нагрузки. При этом автор полагает, что усилие сжатия составляет 15...25 %, а сдвига 50...75 % от разрушающей нагрузки.
В первые 1-2 с деформация зерна носит упругий характер, характеризующийся самой высокой скоростью деформации. В последующее время до 60 с рост деформации продолжается, но уже с неравномерно убывающей скоростью. После минутного нагружения образца и до одного часа наблюдается рост деформации с установившейся скоростью. Затем наблюдается резкий рост деформации до момента разрушения образца. При разгрузке образца процесс деформации протекает в обратном порядке. Однако величина обратной упругой деформации, как правило, не достигает значения первой, что свидетельствует о наличии релаксационных процессов в зерне. Эти факты позволяют сделать ряд важных выводов: значение напряжения в зерне может быть определено в любой момент времени после снятия нагрузки по закону релаксации И. А. Наумова; повторное достижение разрушающих деформаций возможно при меньшей деформации; повторное достижение разрушающих деформаций возможно при меньших усилиях.
Данные выводы имеют большое теоретическое и практическое значение и будут положены в основу научного обоснования, разработки и создания энергосберегающих способов измельчения не только для зерна пшеницы, но и других зерновых культур, в частности ржи и кукурузы. Эти культуры имеют аналогичный характер кривых деформаций. Существенное влияние на скорость деформации рассматриваемых культур оказывают стекло-видность, влажность и температура. Однако они не изменяют характер кривых кинетики.
Таким образом, кинетика развития и спада деформаций указывает на возможность снижения энергозатрат при многократном нагружении продукта.