1. Завдання реології
Реологія - наука про деформації та перебігу різних тіл, вона вивчає способи визначення структурно-механічних властивостей сировини, напівфабрикатів і функціональних продуктів, прилади для регулювання технологічних процесів і контролю якості на всіх стадіях виробництва.
За допомогою інженерної реології, на основі біохімічних, біофізичних, фізико-хімічних та органолептичних показників, вирішують наступні завдання:
- Глибоке вивчення суті процесів, які беруть участь у структуроутворенні функціональних продуктів;
- Визначення нормативних структурно-механічних властивостей, які характеризують якість виробів, для їх використання в технологічній документації;
- Отримання необхідних даних для розрахунку і створення спеціалізованого технологічного обладнання.
Реологія включає два розділи: перший присвячений вивченню реологічних або в більш загальному сенсі структурно-механічних властивостей реальних тіл, другий розглядає рух реальних тіл в робочих органах машин та апаратів, розробляє інженерні способи їх розрахунку. [5, 6 c]
2. Об'єкти досліджень харчової реології
Об'єктом дослідження в харчовій реології є харчові матеріали.
Для проведення реологічних досліджень властивості тіл виражають у вигляді математичних (ідеалізованих) моделей або рівнянь, які з тим або іншим ступенем точності характеризують поведінку реального тіла в процесі деформування. Недолік теоретичної реології полягає в тому, що прості і зрозумілі моделі не придатні для практичного використання, а прийнятні для практики моделі - надзвичайно складні. Це положення відноситься до білкових харчових продуктів, які мають складну фізико-хімічну будову і чутливі до зміни зовнішніх чинників. Для точного опису процесів течії і деформування цих продуктів необхідні складові комплексні моделі теоретичної реології і відповідні диференціальні рівняння, що неприйнятно для практичних цілей. Тому доводиться знаходити наближені рішення на основі різних гіпотез і міркувань. В інженерній реології зазвичай орієнтуються на відшукання можливо простих залежностей, тому що для практики потрібні лише деякі середні, сумарні характеристики. З цією метою в теоретичних та експериментальних дослідженнях використовуються різні реологічні методи: диференціальний та інтегральний, методи аналізу закономірностей і подоби. Розробка та проведення експериментів, і їх узагальнення в такому напрямку дозволяють отримати фізично обгрунтовані рішення, що застосовуються для практичних цілей. [5, 12 c]
3. Основи методики розрахунку реологічних характеристик, отриманих на ротаційного віскозиметра
Віскозиметри грунтується на двох експериментальних принципах: вимірюється опір руху, обумовлене в'язкістю середовища, або при протіканні досліджуваної речовини в каналі тої чи іншої геометричної форми, або при русі твердого тіла в середовищі, в'язкість якої визначають найбільш поширені капілярна, ротаційна, вібраційна віскозиметрії, метод падаючого кульки, пенетрація і пластометрія.
Ротаційні віскозиметри широко застосовуються в багатьох галузях харчової промисловості в технологічних лабораторіях підприємств, в науково-дослідних організаціях. Віскозиметри служать для контролю якості вихідної сировини, напівфабрикатів і готового продукту, а також для контролю технологічних процесів.
У ротаційної віскозиметрії вимірюють крутний момент М і кутову швидкість обертання В одному з основних варіантів методу шар досліджуваної рідини висотою Н перебуває між двома коаксіальними циліндрами з внутрішніми радіусами R i і R про (R i <R o) які обертаються один щодо іншого. В'язкість обчислюється за формулою Маргулес:
,
де = R 0 / R i.
Зазвичай зазор між циліндрами малий [(R 0 - R i) / R 0 1], що забезпечує однорідність умов деформування в досліджуваному зразку. У цьому основна перевага ротаційної віскозиметрії перед капілярної, оскільки в капілярі неминуче розподіл швидкостей і напружень по радіусу каналу. Якщо зовнішній циліндр відсутня
, В'язкість обчислюють за формулою:
.
Зразок можна поміщати також між конусом і площиною, між двома конусами або сферами. Для ньютонівських рідин = Const. При розрахунку
вводять всілякі поправки, в першу чергу на крайові ефекти.
Таким чином, в приладах реалізуються два методи дослідження:
- Метод сталості швидкості деформації;
- Метод сталості моменту, що крутиться.
При реологічних дослідженнях ефективне поєднання обох методів. Поєднання методів доцільно здійснювати таким чином, щоб в'язкопружні властивості матеріалів з незруйнованою структурою вивчалися методом сталості моменту, що крутиться, а процеси руйнування і режим усталеного течії - методом сталості швидкості деформації.
Методика розрахунку реологічних характеристик має специфічні особливості для кожної з двох основних областей стану структури продукту.
В області незруйнованою структури визначають модулі пружності, найбільшу в'язкість і характер розвитку деформацій. Вимірювання починають після тиксотропного відновлення структури. Величини деформацій відраховують за показниками приладу. Досвід проводять при зусиллях, менших, ніж максимальне напруження зсуву, з інтервалом запису деформацій 10-20 с.
При переході до області лавинного руйнування структури по кривій плину визначають статистичне та динамічне максимальне напруження зсуву, пластичну в'язкість і залежність ефективної в'язкості від градієнта швидкості або напруги зсуву. Обрахунок результатів проводять за рівноважної кривої течії, що проходить через всі точки. Обертання ротора викликає поява внутрішніх напружень в продукті, який знаходиться між ротором і склянкою. Ці дотичні напруги пропорційні зрушуючим зусиллям, тому графічну та математичну обробку дослідів можна проводити в консистентних змінних, або користуючись первинними залежностями, отриманими безпосередньо з досвіду. [4, 51 c]
4. Регулювання структурно-механічних властивостей при механічній обробці
Найбільш простий метод вивчення структурно-механічних властивостей харчових матеріалів полягає в побудові кривих кінетики деформації (кривих течії). За цим кривим можна знайти сім незалежних один від одного деформаційних характеристик матеріалу: модулі миттєвої пружності і пружного післядії, в'язкість релаксаційного релаксаційного (течії) і пружного післядії; межі пружності, текучості і міцності. Величина границі міцності не є інваріантною, так як залежить від механічного режиму деформування. Перераховані константи дозволяють пояснити деформаційне поведінку матеріалу і досить повно охарактеризувати його структурно-механічні властивості. Отримання таких характеристик можливо в процесі вивчення реологічних властивостей харчових мас, тобто при вивченні процесу їх течії під дією постійної напруги.
Криві течії (реограми) ньютонівських рідин являють собою пряму лінію, що проходить через початок координат. Всі криві течії (ділатантная рідина, структурно-в'язка рідина, нелінійне пластичне тіло, лінійне пластичне тіло), які відхиляються від прямої лінії, називають неньютоновскими рідинами. При цьому крива - ділатантная рідина, що характеризує ділатантное протягом, характерне в основному для концентрованих дисперсних систем, при якому зі збільшенням швидкості деформації настає «утруднення зсуву», тобто відбувається підвищення в'язкості; крива - стуктурно-в'язка рідина описує псевдопластіческое протягом, що характерно для «сдвигового розм'якшення» внаслідок руйнування структури зі збільшенням швидкості деформації; крива - нелінійного пластичного тіла показує нелінійне пластичне протягом, характерне для більшості пластичних тіл після досягнення граничного напруження зсуву. Лінійна залежність - лінійне пластичне тіло характерна для бінгамовскіх тіл і відповідає ідеальному пластичному течією, після досягнення граничного напруження зсуву.
Тиксотропна система притаманне ізотермічне відновлення структури після руйнування, а також безперервне її руйнування (до певної межі) при деформації.
Реопексние системи здатні структуруватися, тобто утворювати контакти між частками в результаті орієнтації або слабкою турбулізації при механічному впливі з невеликими градієнтами швидкості.
Особливістю багатьох псевдопластічних і пластично-в'язких структурованих дисперсних систем коагуляційного типу є наявність петель гістерезису при навантаженні і розвантаженні. Площа реограми між кривою і віссю ординат представляє собою (у відповідному масштабі) питому потужність (на одиницю об'єму). Вона складається з потужності ньютонівського перебігу та потужності, що вимагається при цьому ж градієнті швидкості досягнення даної ступеня руйнування структури. Потужність, пропорційна площі між двома кривими, що утворюють петлі гістерезису, характеризують ступінь наближення структури до рівноважного стану.
У багатьох процесах продукт піддається інтенсивним механічних впливів (в насосах, мішалках і т.д.), тобто його структура досягає часткового або практично граничного руйнування. Тому при використанні результатів реологічних досліджень для практичних розрахунків слід хоча б наближено вибрати ту криву течії, яка відповідає даній ступеня руйнування. Відповідно до цього при розрахунку різних процесів необхідно використовувати характеристики, визначені у відповідному інтервалі напруг і деформацій. Якісну оцінку продукту також необхідно проводити по найбільш істотним для даного процесу характеристикам. [1, 108 c]
Список літератури
1. Горбатова А.В. Структурно-механічні характеристики харчових продуктів. М. - Легка і Харчова промисловість, 1982-237с
2. Перебийніс А.В. Технології виробництва функціональної продукції з продовольчої сировини. М. - Легка і Харчова промисловість, 2002-230с
3. Рогов І.В. Фізичні методи обробки харчових продуктів. М.-Харчова промисловість 2004-584с
4. Федоров Н.Є., Вимірювання ротаційним віскозиметром. М. - Легка і Харчова промисловість, 2000-104с
5. Шалигіна А.М. Структурно-механічні характеристики харчових продуктів. М. - Колос, 2002-201с